Resistenza elettrica transepiteliale (TEER) per piattaforme organ-on-chip
Le misurazioni della resistenza elettrica transepiteliale (TEER) svolgono un ruolo fondamentale nella valutazione della funzione di barriera, dell’integrità dei tessuti e delle interazioni tra cellule nelle piattaforme Organ-on-Chip (OoC). La misurazione della TEER consiste nell’applicare una piccola corrente alternata attraverso un monostrato cellulare e nel misurare la resistenza opposta a tale corrente. Ciò fornisce informazioni preziose sulla rilevanza fisiologica e sulla funzionalità dei modelli in vitro, consentendo ai ricercatori di studiare le risposte specifiche degli organi, i meccanismi patologici e gli effetti dei farmaci mentre le cellule crescono in un microambiente controllato. Questo articolo esamina le applicazioni della TEER nei sistemi OoC, gli aspetti fondamentali delle misurazioni della TEER nei sistemi microfisiologici e le sfide e i limiti da superare per realizzare appieno il potenziale di questa tecnologia nelle piattaforme OoC.
A cura di Adrienne L. Watson, PhD, Chief Scientific Officer di WPI
Applicazioni della TEER nelle piattaforme OoC
Controllo qualità della produzione
Le misurazioni della TEER sono spesso utilizzate per definire i parametri di riferimento di un sistema OoC prima di un esperimento. Monitorando regolarmente i valori TEER nelle varie fasi della produzione, i produttori possono valutare la coerenza e la riproducibilità delle proprietà della barriera cellulare in più dispositivi OoC. La TEER può misurare la porosità di una membrana all’interno di un sistema OoC e può anche stabilire quando le cellule seminate hanno formato una barriera matura e sono pronte per i test. Con l’espansione e la standardizzazione delle applicazioni OoC, l’integrazione del controllo qualità nel processo produttivo diventa ancora più fondamentale; la TEER è un metodo semplice ed economico per assicurare che i sistemi OoC siano fabbricati correttamente e rispettino le specifiche.
Valutazione della funzione di barriera
La misurazione della TEER è ampiamente utilizzata per valutare le proprietà di barriera degli strati di cellule epiteliali ed endoteliali nei modelli OoC. Monitorando nel tempo le variazioni dei valori TEER, i ricercatori possono valutare la tenuta delle giunzioni cellulari, la permeabilità delle barriere e l’integrità delle strutture tissutali. Le misurazioni della TEER sono essenziali per studiare il trasporto dei farmaci, le risposte immunitarie e la progressione delle malattie nelle piattaforme OoC specifiche per organo.
Studi sulla permeabilità dei farmaci
La misurazione della TEER è fondamentale per studiare la permeabilità dei farmaci attraverso le barriere epiteliali ed endoteliali, come la barriera emato-encefalica, l’epitelio intestinale e l’epitelio alveolare polmonare. Le variazioni dei valori TEER possono indicare cambiamenti nella funzione di barriera, nei meccanismi di trasporto dei farmaci e nelle risposte cellulari agli agenti farmacologici. Le misurazioni della TEER forniscono dati quantitativi su assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione dei farmaci nei modelli OoC, consentendo lo screening dei farmaci e i test di tossicità.
Modellizzazione delle malattie e fisiopatologia
La misurazione della TEER consente ai ricercatori di monitorare nei modelli OoC i cambiamenti dei tessuti di barriera associati a patologie, alterazioni patologiche e risposte infiammatorie. Monitorando i valori TEER in tempo reale, i ricercatori possono simulare condizioni specifiche di una malattia, come infiammazione, infezione e danno tissutale, per studiarne i meccanismi e gli interventi terapeutici. Le misurazioni della TEER offrono informazioni sulla progressione della malattia, sul rimodellamento dei tessuti e sull’efficacia dei farmaci nelle piattaforme OoC specifiche per organo.
Aspetti fondamentali delle misurazioni della TEER nelle piattaforme OoC
Configurazione degli elettrodi
Nelle piattaforme OoC, le misurazioni della TEER vengono in genere effettuate con elettrodi a bacchetta, che applicano una piccola corrente elettrica attraverso lo strato cellulare e misurano la resistenza risultante. Questi elettrodi sono dispositivi portatili che vengono inseriti nell’OoC per misurare la TEER in qualsiasi momento. Questi sistemi di misurazione della TEER sono adatti ai sistemi in cui le misurazioni sono distanziate nel tempo (giorni-settimane) e possono consentire letture manuali a maggiore throughput. Sebbene ogni OoC sia progettato in modo diverso, per utilizzare gli elettrodi a bacchetta nelle misurazioni della TEER occorre ottimizzare solo alcuni parametri: la distanza tra gli elettrodi e la profondità a cui devono essere inseriti nel chip. Una volta definiti questi parametri, è possibile realizzare elettrodi a bacchetta personalizzati per misurare la TEER in numerosi sistemi OoC. Poiché questi elettrodi sono riutilizzabili, questa soluzione è molto meno costosa.
Monitoraggio in tempo reale
Le misurazioni della TEER possono essere effettuate in tempo reale mediante la spettroscopia d’impedenza e tecniche di misurazione che si basano su elettrodi integrati nel sistema OoC. Il monitoraggio in tempo reale dei valori TEER consente ai ricercatori di valutare i cambiamenti dinamici della funzione di barriera, le risposte cellulari e gli effetti dei farmaci nelle piattaforme OoC. Le misurazioni continue della TEER forniscono preziosi dati temporali sul comportamento cellulare, sull’integrità dei tessuti e sulle interazioni con i farmaci nei modelli specifici per organo. Nei sistemi in cui la TEER viene misurata in modo continuo e in tempo reale, i sistemi a elettrodi integrati devono essere fortemente personalizzati in base alla geometria del sistema OoC, alla posizione degli strati microfluidici e alla disposizione delle camere cellulari. Questi elettrodi integrati sono spesso realizzati in oro o platino e consentono letture continue e a lungo termine sui chip. Per ciascun OoC occorre ottimizzare parametri quali il materiale degli elettrodi, le loro dimensioni e geometria e le tecniche per depositare gli elettrodi metallici sul vetro.
Sfide e limiti della tecnologia TEER nelle piattaforme OoC
Personalizzazione
Ogni sistema OoC è progettato in modo specifico, perciò anche il tipo di TEER (a bacchetta o integrato) è peculiare di ciascun sistema e la progettazione degli elettrodi deve essere personalizzata per ottenere le migliori misurazioni della TEER in ogni sistema. Sebbene siano già stati definiti molti dei parametri fondamentali, ogni OoC deve essere testato e convalidato per garantire che le misurazioni della TEER siano riproducibili e affidabili.
Variabilità e sensibilità
Le misurazioni della TEER nelle piattaforme OoC possono presentare variabilità ed essere sensibili alle condizioni sperimentali, ai tipi cellulari e agli ambienti di coltura. Fattori quali le fluttuazioni di temperatura, la composizione del terreno di coltura e il posizionamento degli elettrodi possono influire sui valori TEER e introdurre errori di misurazione negli studi OoC. La standardizzazione dei protocolli di misurazione della TEER e delle misure di controllo qualità è essenziale per ridurre al minimo la variabilità e garantire la riproducibilità nelle piattaforme OoC.
Analisi di singole cellule
Nei modelli OoC, le misurazioni della TEER forniscono valori di resistenza complessivi attraverso gli strati cellulari, limitando la possibilità di eseguire analisi di singole cellule e valutare l’eterogeneità all’interno delle popolazioni cellulari. Ottenere misurazioni della TEER risolte spazialmente e caratterizzare le risposte delle singole cellule nelle piattaforme OoC può aiutare a comprendere meglio le interazioni cellulari, le proprietà di barriera e le risposte ai farmaci nei modelli tissutali complessi.
Stabilità a lungo termine
Nelle piattaforme OoC, i valori di resistenza rilevati dalle misurazioni della TEER possono variare durante periodi di coltura prolungati, compromettendo l’affidabilità e la coerenza dei dati ottenuti negli studi a lungo termine. Mantenere la vitalità cellulare, la funzione di barriera e l’integrità dei tessuti nei modelli OoC è fondamentale per garantire la stabilità a lungo termine delle misurazioni della TEER e la rilevanza dei risultati sperimentali nelle piattaforme specifiche per organo.
In conclusione, la misurazione della TEER è uno strumento prezioso per valutare la funzione di barriera, la permeabilità dei farmaci e l’integrità dei tessuti nelle piattaforme OoC. Monitorando i valori TEER in tempo reale, i ricercatori possono studiare le risposte specifiche degli organi, i meccanismi patologici e gli effetti dei farmaci in un microambiente controllato. Nonostante le sue applicazioni e i suoi vantaggi, la tecnologia TEER nelle piattaforme OoC presenta limiti legati alla variabilità, alla sensibilità, all’analisi di singole cellule e alla stabilità a lungo termine, che sono tutti oggetto di ricerca attiva. Affrontare queste sfide e perfezionare le tecniche di misurazione della TEER nella ricerca OoC può migliorare l’affidabilità, la riproducibilità e il valore predittivo dei modelli in vitro per lo sviluppo di farmaci, la modellizzazione delle malattie e la medicina personalizzata.
Riferimenti bibliografici
1. Kim, H. et al. (2020). "Valutazione della funzione di barriera in una piattaforma lung-on-chip mediante misurazione della resistenza elettrica transepiteliale." Lab on a Chip, 20(9), 1565-1576.
2. Zhang, B. et al. (2019). "Misurazione della resistenza elettrica transepiteliale nelle piattaforme organ-on-chip per gli studi sulla permeabilità dei farmaci." Advanced Drug Delivery Reviews, 149, 65-80.
3. Maschmeyer, I. et al. (2015). "Un chip a quattro organi per la cocultura interconnessa a lungo termine di equivalenti umani di intestino, fegato, pelle e rene." Lab on a Chip, 15(12), 2688-2699.
