Quantifizierung der Barriereintegrität in Organ-on-Chip-Plattformen
Die EVOM™ Chip-Plattform liefert hochpräzise TEER-Messungen in Echtzeit, die die Barriereausreifung und die entzündungsbedingte Beeinträchtigung in Endothel- und BHS-Modellen erfassen und dadurch eine standardisierte, skalierbare Bewertung der Barrierefunktion in mikrophysiologischen Systemen ermöglichen.
Zusammenfassung
Die quantitative Echtzeitbewertung der Barriereintegrität bildet die Grundlage für die Modellierung der neurovaskulären Physiologie und der Blut-Hirn-Schranke (BHS) in vitro. In dieser Studie wurde die EVOM™ Chip-Plattform eingesetzt, um den transendothelialen elektrischen Widerstand (TEER) sowohl in einem vaskulären Endothelmodell als auch in primären BHS-Dreifachkulturmodellen zu überwachen. Die TEER-Messungen zeigten im Zeitverlauf eine robuste Barrierebildung und erfassten eine signifikante Beeinträchtigung der Barriere nach Exposition gegenüber dem proinflammatorischen Zytokin Tumornekrosefaktor alpha (TNF-α). Diese Ergebnisse etablieren die EVOM™ Chip-Plattform als hochempfindliche, standardisierte und skalierbare Lösung zur Erfassung subtiler Barrieredynamiken und Entzündungsreaktionen in fortschrittlichen Zellkulturmodellen.
Einleitung
Barrierebildende Gewebe wie das vaskuläre Endothel und die BHS regulieren den molekularen Austausch und die Gewebehomöostase streng, wodurch ihre Integrität zu einem zentralen Messwert in der Krankheitsmodellierung, Wirkstoffentwicklung und Toxizitätsprüfung wird. TEER ist eine weit verbreitete, nichtinvasive Methode zur Quantifizierung der Barrierebildung und Erfassung einer Barrierebeeinträchtigung. Die EVOM™ Chip-Plattform integriert eingebettete Elektroden in Formate mikrophysiologischer Systeme und ermöglicht dadurch empfindliche, reproduzierbare TEER-Messungen. Sie beseitigt manuelle Schwankungen und ermöglicht eine kontinuierliche, freihändige Überwachung. EVOM™ Chip liefert Echtzeit-Einblicke mit hoher Genauigkeit in die Dynamik zellulärer Barrieren und etabliert zugleich einen standardisierten Ansatz für TEER-Messungen.
Diese Anwendungsnotiz zeigt, wie die EVOM™ Chip-Plattform eingesetzt wird, um:
- die Ausreifung der Endothelbarriere in menschlichen Nabelvenen-Endothelzell-(HUVEC-)Monokulturen durch freihändige, multiplexierte TEER-Messungen direkt auf dem Chip zu überwachen.
- die Entwicklung der BHS in einem primären Dreifachkulturmodell auf der SynBBB-Plattform zu bewerten.
- die durch Zytokine ausgelöste entzündliche Beeinträchtigung der Barriere zu quantifizieren, wobei TEER als Indikator für die funktionelle Beeinträchtigung dient.
Materialien und Methoden
HUVECs wurden auf EVOM™ Chip-Geräten kultiviert und über 48 Stunden auf die Bildung einer Barriere überwacht. Ein primäres BHS-Modell aus Endothelzellen, Astrozyten und Perizyten wurde etabliert und 72 Stunden kultiviert, um die Entwicklung und Ausreifung der Barriere zu fördern. Nach Etablierung der Barriere wurden die Kulturen mit TNF-α (10 ng/mL) behandelt, um eine Beeinträchtigung der Barriere auszulösen. Die Barriereintegrität wurde durch Quantifizierung des TEER auf der EVOM™ Chip-Plattform bewertet, indem der elektrische Widerstand über die Zellbarriere gemessen wurde.
Statistische Analyse
Die Daten werden als Mittelwert ± SEM dargestellt. HUVEC-Monokultur, n = 7; SynBBB-Dreifachkultur, n = 15. Zur Bewertung der statistischen Signifikanz wurde eine einfaktorielle ANOVA mit Mehrfachvergleichen verwendet. Es wurde ein Signifikanzniveau von p < 0.05 angewendet. Signifikanzniveaus: *** p < 0.001; **** p < 0.0001.
Ergebnisse
A. EVOM™ Chip quantifiziert die HUVEC-Barrierebildung und die durch Zytokine vermittelte Beeinträchtigung. Die Ausgangswerte des Widerstands lagen im Mittel bei etwa 15 kΩ. Nach 48 -stündiger Kultivierung stieg der TEER signifikant auf etwa 36 kΩ an, was auf eine erfolgreiche Bildung einer dichten Endothelbarriere hinweist. Eine 4 -stündige Exposition gegenüber TNF-α (10 ng/mL) reduzierte den Widerstand auf etwa 29–30 kΩ und zeigte damit einen messbaren Verlust der Barriereintegrität.
- Die TEER-Werte mehr als verdoppelten sich während der Ausreifung der Monoschicht, was auf die schnelle Etablierung einer Endothelbarriere mit hoher Integrität hinweist.
- Die Exposition gegenüber TNF α führte zu einem schnellen und quantifizierbaren TEER-Abfall und zeigte damit die Fähigkeit der Plattform, akute entzündliche Barriereauflösung zu erfassen.
- Trotz der geringen Stichprobengröße wurden zwischen allen Versuchsgruppen statistisch signifikante Unterschiede beobachtet (n=7, ***p < 0.001, ****p < 0.0001).
Abb. 1 HUVEC-Monokultur auf der EVOM™ Chip-Plattform
B. EVOM™ Chip quantifiziert die Bildung und Schädigung komplexer BHS. Auf der SynBBB-Plattform wurden primäre BHS-Zellen in Dreifachkultur kultiviert. Dabei zeigte sich eine fortschreitende Ausreifung der Barriere, wobei der TEER von etwa 14–15 kΩ zu Beginn auf etwa 25–26 kΩ nach 72- -stündiger Kultivierung anstieg. Nach der TNF-α-Exposition sank der Widerstand auf etwa 21–22 kΩ, was auf eine Beeinträchtigung der BHS-Integrität hinweist.
- Das primäre Dreifachkulturmodell zeigte über 72-Stunden eine physiologisch relevante Verstärkung der BHS, entsprechend dem koordinierten Zusammenspiel von Endothelzellen, Astrozyten und Perizyten. 72-Stunden.
- Die Zytokinbelastung führte zu einer deutlichen TEER-Reduktion und bestätigte damit die Reaktionsfähigkeit des Modells auf entzündlichen Stress sowie die Empfindlichkeit der Plattform gegenüber subtilen BHS-Veränderungen.
- Zwischen allen Zeitpunkten wurden statistisch signifikante Unterschiede beobachtet (n=15, ***p < 0.001, ****p < 0.0001).
Diskussion
Eine genaue und quantitative Messung der Barriereintegrität ist für die Untersuchung der Gefäßbiologie und die Modellierung der Mechanismen neurovaskulärer Erkrankungen von entscheidender Bedeutung. Die direkte Integration von TEER in Organ-on-Chip-Systeme durch die eingebettete Elektrodenarchitektur von WPI bietet einen wesentlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Handsonden, die eine manuelle Positionierung erfordern, Bedienervariabilität verursachen und die Kulturbedingungen bei jeder Messung beeinträchtigen. Eingebettete Elektroden bleiben fest im Gerät verankert und ermöglichen eine kontinuierliche, freihändige, nichtinvasive Überwachung mit konstanter Elektrodengeometrie und überlegener Signalstabilität – entscheidend für die Erfassung subtiler Veränderungen der Barrierefunktion. Sowohl in Endothelzell-Monokulturen als auch in Dreifachkulturen erfasste dieser Ansatz deutliche TEER-Anstiege während der Barriereausreifung und schnelle Abfälle nach entzündlicher Belastung und zeigte damit die Bedeutung der Integration von TEER als funktionellem Echtzeit-Messwert. Durch die direkte Einbettung der TEER-Messung in die Kulturplattform werden eine höhere Datenqualität, eine bessere Reproduzierbarkeit und eine genauere Interpretation der Barrieredynamik als Reaktion auf biologische oder pharmakologische Stimuli gewährleistet.
Hier zeigen wir, dass der EVOM™ Chip TEER-Anstiege, die die Barriereausreifung widerspiegeln, sowohl in Monokultur- als auch in Dreifachkultur-Zellmodellen auf SynBBB-Mikrofluidikchips empfindlich erfassen kann. Außerdem lässt sich damit der Einfluss von Zytokinen auf die Auslösung einer Entzündungsreaktion und die Schädigung der BHS quantifizieren. In beiden Modellen wurde nach der TNF-α-Behandlung ein verringerter TEER beobachtet, was mit einer zytokinvermittelten Beeinträchtigung der Struktur der Tight Junctions und einer erhöhten Permeabilität der Barriere übereinstimmt.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die EVOM™ Chip-Plattform eine empfindliche, reproduzierbare und nichtinvasive Methode zur Überwachung der Barrieredynamik in einer Reihe von in vitro-Modellen bietet. Diese Technologie schafft eine Grundlage für standardisierte TEER-basierte Messwerte in organspezifischen Barrieremodellen und ermöglicht Anwendungen im Wirkstoffscreening, in mechanistischen Studien und in der Krankheitsmodellierung von Gehirn, Leber, Niere, Darm und darüber hinaus.
Diese Ergebnisse bestätigen, dass die EVOM™ Chip-Plattform sowohl die Barrierebildung als auch die durch Zytokine ausgelöste Barrierefunktionsstörung in Endothelzell-Monokulturen und BHS-Dreifachkulturen empfindlich erfassen kann.
