Transepitheliale elektrischer Widerstand (TEER) für Organ-on-Chip-Plattformen
Messungen des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewertung der Barrierefunktion, der Gewebeintegrität und der Zell-Zell-Interaktionen in Organ-on-Chip (OoC)-Plattformen. Die Messung von TEER erfolgt durch Anlegen eines kleinen Wechselstroms über eine Zellmonolage und die Messung des Widerstands gegen diesen Strom, was wertvolle Einblicke in die physiologische Relevanz und Funktionalität von in vitro-Modellen bietet. Dies ermöglicht Forschern, organspezifische Reaktionen, Krankheitsmechanismen und Arzneimittelwirkungen zu untersuchen, während die Zellen in einer kontrollierten Mikro-Umgebung wachsen. Dieser Artikel beleuchtet die Anwendungen von TEER in OoC-Systemen, wichtige Aspekte der TEER-Messungen in mikrophysiologischen Systemen sowie Herausforderungen und Einschränkungen, die überwunden werden müssen, um das volle Potenzial dieser Technologie für OoC-Plattformen auszuschöpfen.
Von Adrienne L. Watson, PhD, WPI Chief Scientific Officers
Anwendungen von TEER in OoC-Plattformen
Herstellungs-QC
TEER-Messungen werden häufig verwendet, um die Basisparameter eines OoC-Systems vor einem Experiment festzulegen. Durch regelmäßige Überwachung der TEER-Werte in verschiedenen Produktionsphasen können Hersteller die Konsistenz und Reproduzierbarkeit der Zellbarriereeigenschaften über mehrere OoC-Geräte hinweg bewerten. TEER kann die Porosität einer Membran innerhalb eines OoC-Systems messen und auch feststellen, wann die ausgesäten Zellen eine ausgereifte Barriere gebildet haben und bereit für Tests sind. Mit der Skalierung und Standardisierung von OoC-Anwendungen wird die Implementierung von QC im Herstellungsprozess immer wichtiger, und TEER ist eine einfache und kostengünstige Methode, um sicherzustellen, dass die OoC-Systeme korrekt hergestellt werden und den Spezifikationen entsprechen.
Bewertung der Barrierefunktion
TEER-Messungen werden häufig verwendet, um die Barriereeigenschaften von epithelialen und endothelialen Zellschichten in OoC-Modellen zu bewerten. Durch die Überwachung von Veränderungen der TEER-Werte im Zeitverlauf können Forscher die Dichtigkeit der Zellverbindungen, die Permeabilität der Barrieren und die Integrität der Gewebestrukturen beurteilen. TEER-Messungen sind unerlässlich für die Untersuchung des Arzneimitteltransports, der Immunantworten und des Krankheitsverlaufs in organspezifischen OoC-Plattformen.
Studien zur Arzneimittelpermeabilität
TEER-Messungen sind entscheidend für die Untersuchung der Arzneimittelpermeabilität über epitheliale und endotheliale Barrieren, wie die Blut-Hirn-Schranke, das Darmepithel und das Lungenalveolarepithel. Veränderungen der TEER-Werte können auf Veränderungen der Barrierefunktion, der Arzneimitteltransportmechanismen und der zellulären Reaktionen auf pharmakologische Wirkstoffe hinweisen. TEER-Messungen liefern quantitative Daten zur Arzneimittelaufnahme, -verteilung, -metabolisierung und -ausscheidung in OoC-Modellen und ermöglichen so Arzneimittelscreening und Toxizitätstests.
Krankheitsmodellierung und Pathophysiologie
TEER-Messungen ermöglichen es Forschern, Veränderungen der Barrieregewebe im Zusammenhang mit Krankheitszuständen, pathologischen Veränderungen und Entzündungsreaktionen in OoC-Modellen zu überwachen. Durch die Echtzeitüberwachung der TEER-Werte können Forscher krankheitsspezifische Bedingungen wie Entzündungen, Infektionen und Gewebeschäden simulieren, um Krankheitsmechanismen und therapeutische Interventionen zu untersuchen. TEER-Messungen bieten Einblicke in den Krankheitsverlauf, die Gewebsumgestaltung und die Wirksamkeit von Arzneimitteln in organspezifischen OoC-Plattformen.
Kritische Aspekte der TEER-Messungen in OoC-Plattformen
Elektrodenkonfiguration
TEER-Messungen in OoC-Plattformen werden typischerweise mit Stäbchenelektroden durchgeführt, die einen kleinen elektrischen Strom über die Zellschicht anlegen und den resultierenden Widerstand messen. Diese Stäbchenelektroden sind handgehaltene Geräte, die in das OoC eingesetzt werden, um TEER zu jedem gewünschten Zeitpunkt zu messen. Diese TEER-Messsysteme eignen sich gut für Systeme, bei denen die Messzeitpunkte weit auseinanderliegen (Tage bis Wochen) und ermöglichen eine höhere Durchsatzrate, wenn auch manuell. Obwohl jedes OoC unterschiedlich gestaltet ist, müssen nur wenige Parameter optimiert werden, damit Stäbchenelektroden für TEER-Messungen funktionieren. Dazu gehören der Abstand zwischen den Elektroden und die Eindringtiefe der Elektroden in den Chip. Sobald diese Parameter festgelegt sind, können maßgeschneiderte Stäbchen hergestellt werden, um TEER in vielen OoC-Systemen zu messen. Da diese Elektroden wiederverwendbar sind, sind die Kosten für diese Lösung deutlich geringer.
Echtzeitüberwachung
TEER-Messungen können in Echtzeit mittels Impedanzspektroskopie und Messverfahren durchgeführt werden, die auf eingebetteten Elektroden innerhalb des OoC-Systems basieren. Die Echtzeitüberwachung der TEER-Werte ermöglicht es Forschern, dynamische Veränderungen der Barrierefunktion, zelluläre Reaktionen und Arzneimittelwirkungen in OoC-Plattformen zu bewerten. Kontinuierliche TEER-Messungen liefern wertvolle zeitliche Daten zum Zellverhalten, zur Gewebeintegrität und zu Arzneimittelinteraktionen in organspezifischen Modellen. In Systemen, in denen TEER kontinuierlich und in Echtzeit gemessen wird, müssen eingebettete Elektroden stark an die Geometrie des OoC-Systems, die Lage der mikrofluidischen Schichten und die Anordnung der Zellkammern angepasst werden. Materialien für diese eingebetteten Elektroden bestehen oft aus Gold oder Platin und ermöglichen langfristige und kontinuierliche Messungen auf Chips. Parameter wie Elektrodenmaterial, Elektrodengröße und -geometrie sowie Techniken zur Metallabscheidung auf Glas müssen für jedes OoC optimiert werden.
Herausforderungen und Einschränkungen der TEER-Technologie in OoC-Plattformen
Anpassung
Jedes OoC-System ist einzigartig gestaltet, wodurch die Art der TEER-Messung (Stäbchen- versus eingebettete Elektroden) für jedes System individuell ist, und das Design der Elektroden muss ebenfalls angepasst werden, um die besten TEER-Messungen in einem bestimmten System zu gewährleisten. Obwohl viele der Schlüsselparameter bereits festgelegt wurden, muss jedes OoC getestet und validiert werden, um sicherzustellen, dass die TEER-Messungen reproduzierbar und zuverlässig sind.
Variabilität und Empfindlichkeit
TEER-Messungen in OoC-Plattformen können Variabilität und Empfindlichkeit gegenüber experimentellen Bedingungen, Zelltypen und Kulturumgebungen aufweisen. Faktoren wie Temperaturschwankungen, Medienzusammensetzung und Elektrodenpositionierung können die TEER-Werte beeinflussen und Messfehler in OoC-Studien verursachen. Die Standardisierung von TEER-Messprotokollen und Qualitätskontrollmaßnahmen ist entscheidend, um Variabilität zu minimieren und Reproduzierbarkeit in OoC-Plattformen sicherzustellen.
Einzelzell-Analyse
TEER-Messungen in OoC-Modellen liefern Gesamtwiderstandswerte über Zellschichten hinweg, was die Möglichkeit einschränkt, Einzelzellanalysen durchzuführen und die Heterogenität innerhalb von Zellpopulationen zu bewerten. Die Gewinnung räumlich aufgelöster TEER-Messungen und die Charakterisierung individueller Zellreaktionen in OoC-Plattformen können das Verständnis zellulärer Interaktionen, Barriereeigenschaften und Arzneimittelreaktionen in komplexen Gewebemodellen verbessern.
Langzeitstabilität
TEER-Messungen in OoC-Plattformen können über längere Kulturperioden Veränderungen der Widerstandswerte zeigen, was die Zuverlässigkeit und Konsistenz der aus Langzeitstudien gewonnenen Daten beeinträchtigen kann. Die Aufrechterhaltung der Zellvitalität, der Barrierefunktion und der Gewebeintegrität in OoC-Modellen ist entscheidend, um die Langzeitstabilität der TEER-Messungen und die Relevanz der experimentellen Ergebnisse in organspezifischen Plattformen sicherzustellen.
Zusammenfassend dient die TEER-Messung als wertvolles Werkzeug zur Bewertung der Barrierefunktion, der Arzneimittelpermeabilität und der Gewebeintegrität in OoC-Plattformen. Durch die Echtzeitüberwachung der TEER-Werte können Forscher organspezifische Reaktionen, Krankheitsmechanismen und Arzneimittelwirkungen in einer kontrollierten Mikro-Umgebung untersuchen. Trotz ihrer Anwendungen und Vorteile steht die TEER-Technologie in OoC-Plattformen vor Herausforderungen hinsichtlich Variabilität, Empfindlichkeit, Einzelzell-Analyse und Langzeitstabilität, die alle aktiv angegangen werden. Die Bewältigung dieser Herausforderungen und die Weiterentwicklung der TEER-Messtechniken in der OoC-Forschung können die Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Vorhersagekraft von in vitro-Modellen für Arzneimittelentwicklung, Krankheitsmodellierung und personalisierte Medizin verbessern.
Literaturverzeichnis
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