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8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg

Der Multi-Organ-ChipEin mikrophysiologisches System für die Substanztestung

und sein Nutzen für Mensch und Maus

Tobias Hasenberg


Berlin-based facilities

Oudenarder Strasse 1613347 Berlin

20 FTE´s:pharma contractsmanufacturingiPS cell banking1.100 sqm

20 scientists: organogenesis research

“Human-on-a-chip” developmentConsumer product industry contracts

900 sqm

4 km

5.6 km

Gustav-Meyer-Allee 2513355 Berlin

2.4 km


Inspectionfor release

MOC manufacturing

Plasma bondingMoulding and casting

Assembly

rapid prototyping tools

In house manufacturing of all MOC-types

dedicated manufacturing environment

release tests:

visual inspection cell free long term performance particle imaging velocimetry


Das Dilemma der Medikamententwicklung

63% Candidate failure

due to safety


due to efficacy


due to other reasons

Source: Select Biosciences Report on

Toxicity Screening Markets, Feb, 2009


Das Dilemma der Medikamententwicklung

human UND systemisch

“Human-on-a-Chip”

Tiermodellehumane Zellkulturtechnik

human aber NICHT systemischsystemisch aber NICHT human

?


Definition

physiological: truly emulating human biology human organ architecture healthy long term homeostasis damage, disease, repair, regeneration

micro: at smallest biologically acceptable scale testing at relevant throughput minimum use of human tissue affordable assay economy

systems: devices supporting human-like organ maintenance temperature, humidity, pH, O2-supply mechanical and electrical coupling optical imaging

Eine “Human-on-a-chip” Plattform ist ein mikrofluidisches mikrophysiologisches System,welches die humane Biologie auf der kleinstmöglichen akzeptablen Größe nachbildet.


Molecule Cell Organ Individual

Mikrophysiologische Systeme:Welche und wie klein?

7

• a single liver lobule is of 1.3 µl in scale• ~ 1 million liver lobules constitute a human liver

Organoid


Mikrophysiologische Systeme:Welche und wie klein?

10 liver lobuli

Bars: 100 µm

70 small intestine villi

20 kidney nephrons

3000 lung alveoli

18 mm2 skin segment1mm

O2

Scaling factor: 1/100.000

0.1 mg of ovary follicles

0.4 mg of testes seminiferous tubules

or20mg of

bone marrow units

4 mm2 brain cerebral cortex

5 pancretic islets

300 mg of skeletal muscle fiber segments

125 mg of adipose tissue clusters

Marx et al. (2012) ATLA 40, 235-257


Villin CK19 Dapi

primary small intestine epithelia

100µm

CK10 CK15 Dapi

prepuce explants and primary keratinocyte/fibroblast-based skin equivalents

200µm

100µm

Glucagon α Insulin β Somatostatin δ

primary pancreatic islet cell spheroids

200µm

NaK-ATPase F-actin Dapi

RPTEC/TERT1 renal proximal tubular model cell line

apical

basolateral

apical

Mikrophysiologische Systeme: Wie wird humane Zellkultur systemisch?


Eine kurze Geschichte von fast allem…

Features:

Objektträgerformat

on-chip Mikropumpe

geeignet für primäre Zellen, 3D Zellgewebe und Zelllinien

Cell Culture Insert-basierte Barrieremodelle

kompatibel mit Live-Imaging

Two-Organ-Chip

2012 20152010 2011 2013 2014 201620092008

Launch

Concept

contract assay developments

ADMET-ChipHuman-

on-a-Chip

Three-Organ-Chip

Multi-Organ-Chip-pipeline


Der 2-Organ-Chip auf einen Blick

Video:https://www.tissuse.com/en/products/2-organ-chip/

https://www.tissuse.com/en/products/2-organ-chip/


Der 2-Organ-Chip auf einen Blick

“Organe” im Maßstab 1:100.000 reduziert


Ein Beispiel-Assay

Kontinuierliche Messungen Viabilität z.B. LDH Metabolismus z.B. Glucose Zellmorphologie andere

Endpunktmessungen Histologie qPCR Metabolite Microarrays -omics andere

Exposition

12-24 Kreisläufe / Exp.(n = 3-5)

de novo generierteOrganmodelle

1-8 Wochen 1-8 Wochen bei Homöostase

Explantate


Equipment der MOC Plattform


15


Haut-LeberM

atri

der

m®

fu

ll th

ickn

esSE

Ex v

ivo

P

rep

uce

Mat

Tek

Epid

erm

H/E CK10/CK15

300µl

„liver“„skin“

18mm2

(Transwell-based)

1 million cells(20 spheroids)

Materne et al. (2015) The multi-organ-chip – a microfluidic platform for long-term multi-tissue co-culture. JoVE Bioengineering

CK8/18 Vimentin

100 µm

Human HepaRG cell line+ primary stellate cells


“liver”“skin”

Air

EpiSkin®

7d skin-liver co-culture

Readouts: gene expression

5 µM

250 µM

500 µM

1 nM1 µM

10µM

Caffeine

Retinoicacid

Haut-Leber: Modelsubstanzen


Haut-Leber: Modelsubstanzen (1)

10.04.2017 19

Caffeinewell-characterized penetration


Haut-Leber: Koffeinabsorption und -distribution

20

li = liver

sk = skin

300µl


7 days of caffeine treatment

Day 7CYP1A2

Topisch appliziertes Koffein beeinflusst Leber



10.04.2017 21

Retinoic acid

Potent CYP-inducer -> strong effects on liver & skin


li = liver

sk = skin

(Cellular retinoic acid–binding protein 2)

Day 7

300µl


7 days of retinoic acid treatment

Administrationsweg ist entscheidend

Haut-Leber: Effekt von Retinoiden auf Haut

22


Haut-Leber: Effekt von Retinoiden auf Haut

23

Dosis-abhängige Induktion von CYP26A in Leber

li = liver

sk =skin

topical systemic

300µl


7 days of retinoic acid treatment



10.04.2017 24

Betamethasone 21-valerate

1st pass metabolism in the skin


Haut-Leber: Betamethasone 21-Valerate

ZO-1

li = liver

sk =skin

Dosis-abhängier Effekt auf Leber bei topischer Applikation

Hinweis auf den Einfluss des Metabolismus der Haut

300µl


7 days of BM21-V treatment

25


Leber-Pankreas: Insulinempfindlichkeit

10Spheroide

300µl

“pancreatic islets”

40Spheroide

Regulierte physiologische Insulinsekretion


0 1 2 3 4

0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

2 .0

2 .2

2 .4

O G T T in h e a lth y h u m a n s

T im e [h ]

Glu

co

se

[g

/l]

7 5 g o r a l

g lu c o s e

OGTT in healthy humans (4h)

8-day liver islet co-culture

Langzeit Homöostase und Crosstalk

Leber-Pankreas: Glukose-Homöostase

Glukose


Eine kurze Geschichte von fast allem…

Two-Organ-Chip

2012 20152010 2011 2013 2014 201620092008

Launch

Concept

ADMET-ChipHuman-

on-a-Chip

Three-Organ-Chip

Multi-Organ-Chip-pipeline


Der 4-Organ-Chip – auf dem Weg zu ADMET


Cytokeratin 19

Maschmeyer et al.(2015) Lab Chip

Cytokeratin 8/18Vimentin

CK15CK10

NaK-ATPase human RPTEC/TERT cell line

Gluc2,5g/l

Gluc2g/l

Gluc1g/l

28-day co-culture

Der 4-Organ-Chip – auf dem Weg zu ADMET


Der 4-Organ-Chip – das Streben nach ADMET

Homeostase über 28 Tage Co-Kultur


Mikrophysiologische Systeme – eine Auswahl

Marx et al.(2016), ALTEX, doi: 10.14573/altex.1603161

Grenzen der Systeme?!


Preclinical

discovery

Validation

in patients

Sub-

mission

Patients’

Market

< $0.5 B, < 6 years

Paradigm shift

Long-term

up to $2.5 B, 13.5 years

Pre-

clinicsLead

optimizationDiscovery Phase I Phase II Phase III

Sub-

mission

Patients’

Market

Pre-

clinics

Lead

optimizationDiscovery Phase I Phase II Phase III

Sub-

mission

Patients’

Market

0-13.5 -11 -8 -6,5 -4 -1.5-9

Today

Short-term

Time (years)

in vitro testing -laboratory animal studies - clinical trials -

Der Paradigmenwechsel

33


“Human-on-a-chip” Wissenschaftslandkarte

Lausanne

Athen

Garching

Leipzig

New York

Seattle

Encino

Miami

CincinattiBeijing

Wien

Los Angeles

Sendai

Dallas

Cambridge

Amsterdam

Chicago

Raleigh

Minneapolis

Seoul

Leiden

Brisbane

Strasbourg

Ilmenau

Berlin

Eindhoven

Boston

Toronto

El Paso

Aulnay

Sidney

Bethesda TokyoUlsan

Rom

RochesterBern

Baltimore

IllinoisMichigan Modena

Orlando

Ithaca

Jefferson

Landquart

Moscow

“Organs-on-a-chip”ConsortiumNetherlands

“Homunculus”ActivitiesRussia

“Body-on-a-chip”InitiativeSwitzerland

“Human-on-a-chip”ProgramGermany

DARPADefence Advanced

Research Projects Agency

NIH/NCATSNational Center for Advancing

Translational Sciences

30 June 20171 July 2012

A translational US initiative since 2012

FDA> USD 140 Mio

PubMed survey 2011-2014:„Human-on-chip“, „Body-on-chip“, …

City of first authors, their countries


Video:https://www.tissuse.com/en/products/human-on-a-chip/

https://www.tissuse.com/en/products/human-on-a-chip/


Vielen Dank!

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