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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
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
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
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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
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Das Dilemma der Medikamententwicklung
63% Candidate failure
due to safety
31% Candidate failure
due to efficacy
6% Candidate failure
due to other reasons
Source: Select Biosciences Report on
Toxicity Screening Markets, Feb, 2009
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
Das Dilemma der Medikamententwicklung
human UND systemisch
“Human-on-a-Chip”
Tiermodellehumane Zellkulturtechnik
human aber NICHT systemischsystemisch aber NICHT human
?
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
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.
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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
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
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
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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?
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
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
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
Der 2-Organ-Chip auf einen Blick
Video:https://www.tissuse.com/en/products/2-organ-chip/
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
Der 2-Organ-Chip auf einen Blick
“Organe” im Maßstab 1:100.000 reduziert
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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
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Equipment der MOC Plattform
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15
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Haut-LeberM
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der
m®
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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
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“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
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Haut-Leber: Modelsubstanzen (1)
10.04.2017 19
Caffeinewell-characterized penetration
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Haut-Leber: Koffeinabsorption und -distribution
20
li = liver
sk = skin
300µl
„liver“„skin“
7 days of caffeine treatment
Day 7CYP1A2
Topisch appliziertes Koffein beeinflusst Leber
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Haut-Leber: Modelsubstanzen (2)
10.04.2017 21
Retinoic acid
Potent CYP-inducer -> strong effects on liver & skin
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li = liver
sk = skin
(Cellular retinoic acid–binding protein 2)
Day 7
300µl
„liver“„skin“
7 days of retinoic acid treatment
Administrationsweg ist entscheidend
Haut-Leber: Effekt von Retinoiden auf Haut
22
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
Haut-Leber: Effekt von Retinoiden auf Haut
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Dosis-abhängige Induktion von CYP26A in Leber
li = liver
sk =skin
topical systemic
300µl
„liver“„skin“
7 days of retinoic acid treatment
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Haut-Leber: Modelsubstanzen (3)
10.04.2017 24
Betamethasone 21-valerate
1st pass metabolism in the skin
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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
„liver“„skin“
7 days of BM21-V treatment
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Leber-Pankreas: Insulinempfindlichkeit
10Spheroide
300µl
“pancreatic islets”
40Spheroide
Regulierte physiologische Insulinsekretion
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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
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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
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Der 4-Organ-Chip – auf dem Weg zu ADMET
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
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
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
Der 4-Organ-Chip – das Streben nach ADMET
Homeostase über 28 Tage Co-Kultur
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
Mikrophysiologische Systeme – eine Auswahl
Marx et al.(2016), ALTEX, doi: 10.14573/altex.1603161
Grenzen der Systeme?!
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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
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“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
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Video:https://www.tissuse.com/en/products/human-on-a-chip/
8. Tierexperimentelle FortbildungHasenberg
Vielen Dank!