Мультиорганный чип с улучшенной долговечностью и гомеостазом

Мультиорганный чип с улучшенной долговечностью и гомеостазом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Возрастает научный и экономический интерес к миниатюризированным трехмерным (3D) системам культивирования органов или органоидов. Эти 3D системы культивирования предназначены для обеспечения возможности изучения функционирования органов и их реакции на определенные стимулы, а также для тестирования влияния химических соединений или композиций на конкретные органы или их группы и для исследования фармакокинетических свойств таких соединений или композиций. В частности, в отношении тестирования безопасности химических соединений, требуются альтернативные варианты для замены экспериментов на животных и для получения данных, которые можно с большей легкостью использовать для эффективного и надежного прогнозирования безопасности для человека. Качество такой in vitro 3D системы культивирования будет зависеть от ее способности, настолько точно, насколько это возможно, воспроизводить физиологическую функцию и окружение соответствующего органа или органоида. Этой цели можно достичь, только если органы не рассматриваются как отдельные, независимые объекты, а сложность взаимодействия между различными органами в организме имитируется настолько точно, насколько это возможно. Для обеспечения получения значимых данных требуется, чтобы система культивирования оставалась стабильной в течение длительного периода времени. Однако большинство известных 3D систем культивирования, известных на сегодняшний день, воспроизводят только один тип клеток или обеспечивают моделирование только одного типа органа или органоида. Только недавно были описаны 3D системы культивирования, рассчитанные на несколько органов и обеспечивающие динамическое культивирование этих нескольких органов.

В патентном документе WO 2009/146911 А2 было представлено устройство "орган-на-чипе". Это устройство "орган-на-чипе" сконструировано так, что оно является автономным и контролируемым датчиками. Устройство обеспечивает возможность создания или поддержания органов или органоидов, а также ниш стволовых клеток в формате миниатюризированного чипа. Устройство "орган-на-чипе" может содержать множество секций роста органов, содержащих орган или органоид, резервуар для подачи среды и резервуар для сброса среды, функционально соединенные друг с другом таким образом, что к органам или органоидам секции роста органов может подаваться среда из резервуара для подачи среды, а продукты распада и отходы могут удаляться посредством резервуара для сброса среды. Хотя эта модель обеспечивает возможность одновременного культивирования более одного органа на одном чипе, это устройство не обеспечивает возможность взаимодействия и взаимного влияния между различными органами на чипе. Кроме того, это устройство не отражает все функции, необходимые для достижения гомеостаза в системе культивирования в течение длительного периода времени.

В патентном документе WO 2012/016711 А1 представлена 3D модель клеточной культуры, содержащая одну или несколько секций роста органов, автономную систему циркуляции, сконфигурированную для снабжения органов или органоидов, культивируемых в секциях роста органов, питательными веществами, и сборник экстракапиллярной жидкости или отходов для сбора межклеточной жидкости и продуктов распада из секций роста органов. Эта система обеспечивает возможность одновременного культивирования более одного органа и имитирует сосудистую систему, снабжающую и соединяющую различные органы. Таким образом, эта система обеспечивает возможность взаимодействия и взаимного влияния между органами или органоидами в системе. Однако это устройство не воспроизводит все функции, необходимые для достижения гомеостаза в системе культивирования в течение длительного периода времени.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройству в виде мультиорганного чипа, которое имитирует основные функции организма, необходимые для гомеостаза органа и/или организма. Устройство в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению сконструировано так, чтобы воспроизводить автономную систему циркуляции, имитирующую кровеносную систему высшего организма, которая снабжает ряд различных эквивалентов органов. Эквиваленты органов выбраны и расположены таким образом, что представлены основные функции снабжения питательными веществами, удаления отходов и снабжения кислородом, и при этом они являются полностью функциональными для поддержания гомеостаза эквивалентов органов в течение длительного периода времени.

Предусматривается устройство в виде мультиорганного чипа, причем устройство содержит

- базовый слой;

- слой органов, расположенный на базовом слое;

- антральный слой, расположенный на слое органов; и слой приводов;

где

- базовый слой сконфигурирован так, чтобы обеспечивать твердую подложку для других слоев;

- слой органов сконфигурирован так, чтобы содержать

множество отдельных эквивалентов органов, причем каждый эквивалент органа содержит одну или несколько секций роста органов, причем каждая из секций роста органов сконфигурирована так, чтобы содержать полость для органоидов для размещения по меньшей мере одного органоида органа и содержать микровход и микровыход для жидкостного соединения полости для органоидов секции роста органов и автономной системы циркуляции, где слой органов содержит по меньшей мере один эквивалент органа, сконфигурированный так, чтобы представлять следующие органы: легкое, тонкий кишечник, селезенку, поджелудочную железу, печень, почку и костный мозг, соответственно, и

автономную систему циркуляции, сконфигурированную так, чтобы она находилась в непосредственном жидкостном соединении с секциями роста органов в слое органов посредством микровходов и выходов секций роста органов;

- антральный слой сконфигурирован так, чтобы содержать множество полостей и трубок, расположенных так, что они находятся в жидкостном соединении с выбранными эквивалентами органов или секциями роста органов для обеспечения возможности обмена жидкостями между полостями и секциями роста органов; и

- слой приводов сконфигурирован так, чтобы содержать множество приводов, расположенных и сконфигурированных для регулировки силы давления, прилагаемой к выбранному эквиваленту органа, автономной системе циркуляции и/или ее части.

Дополнительные подробности и предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в изложенном ниже описании и в формуле изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно. Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют такое же значение, что и в обычном понимании специалиста в соответствующей области техники. Если первый слой или объект указан как расположенный над вторым слоем или объектом, первый слой или объект может располагаться непосредственно над вторым слоем или объектом, или другой слой или объект может присутствовать между первым и вторым слоем или объектом.

Устройство в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению состоит из ряда слоев с различными функциональностями. Мультиорганный чип содержит базовый слой, слой органов, необязательно слой, удерживающий органы, антральный слой и слой приводов.

Базовый слой сконфигурирован так, чтобы обеспечивать твердую подложку для других слоев, так что с устройством в виде мультиорганного чипа можно с легкостью работать и управлять им. Предпочтительно указанный базовый слой изготовлен из прозрачного материала. Преимущество заключается в том, что слой органов является оптически доступным с нижней стороны и, таким образом, обеспечивает возможность наблюдения органоидов в секции роста органов в ходе культивирования посредством микроскопии, например, посредством 2-фотонной микроскопии. Так как базовый слой изготовлен из прозрачного материала, слой органов является доступным с нижней стороны и обеспечивает возможность визуализации, основанной на соотношении интенсивности флуоресценции, для измерения локального внутритканевого значения pH, микроскопии с гашением фосфоресценции для измерения внутритканевого pO>2 и инфракрасной спектроскопии для выявления физиологического стресса.

Предпочтительные материалы для базового слоя включают стекло и оптически прозрачные синтетические полимеры, такие как, например, полистирол (PS), поликарбонат (PC), полисилоксан и/или полидиметилсилоксан (PDMS).

Для отслеживания состояния устройства и для обеспечения возможности контролируемого культивирования органоидов базовый слой может содержать один или несколько датчиков, сконфигурированных и расположенных так, чтобы измерять испускаемые сигналы и/или передавать сигналы к одному или нескольким эквивалентам органов, секциям роста органов и/или из автономной системы циркуляции. Используются датчики, которые характеризуются высокой чувствительностью с обеспечением возможности точного измерения даже при небольших объемах образца. Предпочтительно базовый слой содержит датчики для измерения основных параметров гомеостаза организма человека, например, жизнеспособность органоидов или клеток, температура, pH, жидкостный баланс, давление, объем потока, давление кислорода или потребление кислорода, потребление питательных веществ, адсорбция жидкости, секреция кишечного сока, синтез альбумина, синтез желчи, экскреция мочевины, ионный баланс, осмоляльность и электрическое взаимодействие. Датчики, которые могут применяться, включают без ограничения датчики pH, датчики pO>2, датчики захвата анализируемого вещества, кондуктометрические датчики, датчики плазмонного резонанса, датчики температуры, датчики CO2, датчики NO, датчики хемотаксиса, датчики цитокинов, датчики ионов, датчики давления, потенциометрические датчики, амперометрические датчики, проточные датчики, датчики наполнения, датчики сопротивления, датчики электромагнитного поля, датчики на поверхностных акустических волнах и датчики метаболизма. Предпочтительно базовый слой содержит по меньшей мере следующий набор датчиков:

2 датчика pO₂, сконфигурированных и расположенных так, чтобы измерять pO₂ в жидкости автономной системы циркуляции слоя органов, предпочтительно один датчик pO₂ расположен под артериолярным транспортным каналом поблизости от его начала из эквивалента легкого и один датчик pO₂ расположен под венулярным транспортным каналом поблизости от его начала из эквивалента легкого;

4 датчики трансэпителиального/эндотелиального электрического сопротивления (TEER) для идентификации утечки в автономной системе циркуляции (если сопротивление между двумя датчиками TEER равно 0, утечка является вероятной), предпочтительно два датчика TEER расположены в автономной системе циркуляции, например, один датчик TEER расположен поблизости от начала артериолярного транспортного канала из эквивалента легкого и один датчик TEER расположен на конце артериолярного транспортного канала, наиболее удаленном от начала артериолярного транспортного канала из эквивалента легкого, два датчика TEER сконфигурированы и расположены в эквиваленте печени, необязательно могут присутствовать два дополнительных датчика TEER, сконфигурированных и расположенных в эквиваленте кожи или кишечника, причем вместе взятые обеспечивают отслеживание функциональности клеточных барьеров, например, эпителиальных или эндотелиальных барьеров между органами и кровотоком; электрические датчики, которые взаимодействуют с биологическими ганглиями нейронов, сконфигурированные и расположенные так, что они контактируют с ганглиями в эквивалентах органов.

Устройство в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению содержит слой органов, расположенный над базовым слоем. Слой органов сконфигурирован так, чтобы содержать множество отдельных эквивалентов органов, причем каждый эквивалент органа содержит одну или несколько секций роста органов. Каждая из секций роста органов в слое органов сконфигурирована так, чтобы содержать полость для органоидов для размещения одного органоида определенного типа органа. Каждая секция роста органов сконфигурирована так, чтобы содержать микровход и микровыход для жидкостного соединения полости для органоидов секции роста органов и автономной системы циркуляции слоя органов. Слой органов содержит по меньшей мере один эквивалент органа, сконфигурированный так, чтобы представлять следующие органы: легкое, тонкий кишечник, селезенка, поджелудочная железа, печень, почка и костный мозг, соответственно. Слой органов может содержать дополнительные эквиваленты органов, такие как, например, эквиваленты следующих органов: кожи, яичек, головного мозга и/или жировой ткани. Кроме того, слой органов содержит автономную систему циркуляции, сконфигурированную так, чтобы она находилась в непосредственном жидкостном соединении с секциями роста органов в слое органов посредством микровходов и выходов секций роста органов эквивалентов органов.

Используемое в данном документе выражение "эквивалент органа" относится ко всем секциям роста органов, которые содержат органоиды или один конкретный тип органа. Все органы и системы организма, например, организма человека построены из составных, идентичных, функционально самодостаточных структурных элементов, органоидных элементов. Эти органоидные элементы имеют чрезвычайно малые размеры - от нескольких клеточных слоев до нескольких миллиметров. Дольки печени, нефроны почки, дерма и эпидермис кожи, слизистая оболочка кишечника, островки Лангерганса поджелудочной железы, серое и белое вещество коры головного мозга и мозжечка, а также способствующие состоянию покоя ниши стволовых клеток взрослого организма представляют собой лишь небольшую выборку примеров таких органоидных структур человека, причем все они обладают выраженной функциональностью и высокоизменчивой геометрией конгломерата. По причине характерной функциональности, высокого уровня самодостаточности и множественности указанных микроорганоидов в соответствующем органе, модель их способности реагировать на любые химические вещества представляется репрезентативной для всего органа. Для реализации наиболее значительных функций органов и систем природа создала чрезвычайно малые, но сложно устроенные биологические структуры. Размножение этих органоидных структур в любом данном органе является инструментом природы для управления рисками во избежание полной потери функциональности при частичных повреждениях органа. С другой стороны, данная концепция позволила легко приспосабливать размер органа и его форму к нуждам данных видов - например, печень у мышей и человека - по-прежнему, с использованием разработанного генерального плана для построения единичного функционального органоидного элемента. Уникальная и интересная возможность тестирования химических веществ, обеспечивающая возможность прогнозирования воздействия на человека, заключается в создании эквивалентов микроорганоидов человека in vitro. В настоящем изобретении "органоиды" означают искусственные, образуемые de novo, функциональные клеточные агрегаты различных типов клеток in vitro, которые демонстрируют по меньшей мере одну функцию органа или ткани, предпочтительно демонстрируют большинство или практически все функции органа или ткани. Таким образом, в устройстве в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению эквивалент органа представлен одной или несколькими секциями роста органов, причем каждая секция роста органов содержит полость для органоидов для размещения одного органоида соответствующего типа органа. Таким образом, размер эквивалента органа можно легко регулировать посредством выбора соответствующего количества секций роста органов или органоидов соответствующего типа органа.

Специалист в данной области техники хорошо осведомлен о структуре органоида определенного органа и ему известно каким образом получить указанный органоид. Далее приведены некоторые примеры органоидов конкретных органов: органоиды легкого в форме альвеол, органоиды поджелудочной железы в форме островков Лангерганса, органоиды селезенки в форме белой и красной пульпы, органоиды тонкого кишечника в форме ворсинок, органоиды печени в форме долек, органоиды почки в форме нефронов, элементы костного мозга, органоиды костного мозга в форме кости и хряща, элементы кожи в форме придатков, органоиды жировой ткани в форме кластеров, органоиды яичек в форме долек и органоиды головного мозга в форме коры мозжечка.

Органоид печени может представлять собой дольку печени гексагональной формы объемом 1,2-2,2 мм³.

Органоид легкого может представлять собой альвеолу легкого сфероидальной формы, имеющую поверхность 0,15-0,25 мм².

Органоид поджелудочной железы может представлять собой островок Лангерганса, окруженный экзокринной тканью, причем все они имеют сфероидальную форму и объем 0,2-0,5 мм³.

Органоид селезенки может представлять собой участок ткани белой и красной пульпы сфероидальной формы объемом 0,3-0,6 мм³.

Органоид тонкого кишечника может представлять собой ворсинку столбчатой формы, имеющую поверхность 0,2-0,4 мм².

Органоид почки может представлять собой нефрон почки со сфероидальной капсулой и цилиндрическим канальцем и поверхностью фильтрации 6-7,5 мм².

Органоид костного мозга может представлять собой элемент, имеющий форму с крупными порами, образованный из костного мозга, кости и хряща объемом 0,006-0,008 мм³.

Органоид кожи может представлять собой сегмент гексагональной формы, содержащий придатки, имеющий поверхность 1,2-2 мм².

Органоид жировой ткани может представлять собой кластер жировых клеток сфероидальной формы объемом 0,0004-0,0006 мм³.

Органоид яичек может представлять собой дольку яичка сфероидальной формы объемом 0,006-0,008 мм³. Органоид головного мозга может представлять собой кортикальную колонку цилиндрической формы и иметь поверхность 0,02-0,03 мм².

Слой органов может быть сконструирован так, что

- секция роста органов для эквивалента печени сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 5-15 органоидов печени, где каждый органоид печени представляет собой дольку печени, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 10 органоидов печени;

- секция роста органов для эквивалента легкого сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 2000-4000 органоидов легкого, где каждый органоид легкого представляет собой альвеолу легкого, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 3000 органоидов легкого;

- секция роста органов для эквивалента поджелудочной железы сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 5-15 органоидов поджелудочной железы, где каждый органоид поджелудочной железы представляет собой островок Лангерганса, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 10 органоидов поджелудочной железы;

- секция роста органов для эквивалента селезенки сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 5-15 органоидов селезенки, где каждый органоид селезенки представляет собой белую и красную пульпу, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 10 органоидов селезенки;

- секция роста органов для эквивалента тонкого кишечника сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 40-80 органоидов тонкого кишечника, где каждый органоид тонкого кишечника представляет собой ворсинку, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 60 органоидов тонкого кишечника;

- секция роста органов для эквивалента почки сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 10-30 органоидов почки, где каждый органоид почки представляет собой нефрон, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 20 органоидов почки; и

- секция роста органов для эквивалента костного мозга сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 1000-2000 органоидов костного мозга, где каждый органоид костного мозга представляет собой элемент, образованный из костного мозга, кости и хряща, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 1400 органоидов костного мозга.

Кроме того, слой органов может быть сконструирован так, что

- секция роста органов для эквивалента кожи сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 10-20 органоидов кожи, где каждый органоид кожи представляет собой придаток кожи, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 15 органоидов кожи;

- секция роста органов для эквивалента жировой ткани сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 200000-300000 органоидов жировой ткани, где каждый органоид жировой ткани представляет собой кластер жировых клеток, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 240000 органоидов жировой ткани;

- секция роста органов для эквивалента яичек сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 10-20 органоидов яичек, где каждый органоид яичек представляет собой дольку яичка, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 15 органоидов яичек; и

- секция роста органов для эквивалента головного мозга сконфигурирована так, чтобы обеспечивать полость для органоидов для размещения 100-300 органоидов головного мозга, где каждый органоид головного мозга представляет собой кортикальную колонку, предпочтительно полость для органоидов сконфигурирована для размещения 200 органоидов головного мозга.

Каждый из эквивалентов органов может быть сконфигурирован для размещения количества органоидов, которое является пропорциональным по отношению к количеству органоидов, присутствующих, в среднем, в соответствующем органе организма млекопитающего, предпочтительно человека. Для того, чтобы отобразить организм, преимущественным является выбор размера всех эквивалентов органов в устройстве в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению так, чтобы он воспроизводил относительную пропорциональность размеров органов при физиологических условиях в организме. Предпочтительно размер всех эквивалентов органов в устройстве в виде мультиорганного чипа является уменьшенным с использованием одного и того же предварительно определенного коэффициента пропорциональности. Этот коэффициент пропорциональности может варьировать в зависимости от предполагаемого размера устройства в виде мультиорганного чипа, причем предпочтительный коэффициент пропорциональности равен 0,00001 (1/100000). Если необходимо отобразить организм человека, устройство в виде мультиорганного чипа предпочтительно сконфигурировано так, чтобы содержать следующее:

1 органоид печени,

300 органоидов легкого,

1 органоид поджелудочной железы,

1 органоид селезенки,

6 органоидов тонкого кишечника,

2 органоида почки,

140 органоидов костного мозга и необязательно

1 или 2 органоида кожи,

24000 органоидов жировой ткани,

1 или 2 органоида яичек,

20 органоидов головного мозга или их множество.

В конкретном предпочтительном варианте осуществления устройство в виде мультиорганного чипа предпочтительно сконфигурировано так, чтобы содержать следующее:

10 органоидов печени,

3000 органоидов легкого,

10 органоидов поджелудочной железы,

10 органоидов селезенки,

60 органоидов тонкого кишечника,

20 органоидов почки,

1400 органоидов костного мозга и необязательно

15 органоидов кожи,

240000 органоидов жировой ткани,

15 органоидов яичек,

200 органоидов головного мозга

или их множество.

Предпочтительно секция роста органов дополнительно содержит одну или несколько ниш стволовых клеток. Для обеспечения системы, которая может работать в условиях гомеостаза в течение длительного периода времени, преимущественным является обеспечение источника клеток, который может обеспечивать обновление клеточной популяции в органоиде. Каждый орган характеризуется определенным значением времени обновления клеточной популяции, в течение которого клетки органа заменяются новыми клетками. Это обновление клеточной популяции в органе обеспечивает то, что клетки органа являются жизнеспособными и полностью функциональными. Указанное обновление клеточной популяции можно имитировать посредством введения ниши стволовых клеток для одного, некоторых или всех эквивалентов органов в устройстве в виде мультиорганного чипа. Указанные ниши стволовых клеток могут быть частью одной, некоторых или всех секций роста органов для эквивалента органа.

Структура и путь получения таких секций роста органов, в том числе полостей для органов и ниш стволовых клеток, уже описаны в патентных документах WO 2012/016711 А1 и WO 2009/146911 А2, раскрытие которых включено в данный документ посредством ссылки.

Слой органов может быть получен из подходящего материала. Предпочтительные материалы включают SiO₂, стекло и синтетические полимеры. Предпочтительные синтетические полимеры включают полистирол (PS), поликарбонат (PC), полиамид (PA), полиимид (PI), полиэфирэфиркетон (PEEK), полифениленсульфид (PPSE), эпоксидную смолу (EP), ненасыщенный сложный полиэфир (UP), фенольную смолу (PF), полисилоксан, например, полидиметилсилоксан (PDMS), меламиновую смолу (MF), сложный эфир циановой кислоты (CA), политетрафторэтилен (PTFE) и их смеси. Особенно предпочтительными являются синтетические полимеры, которые оптически прозрачны и включают, например, полистирол (PS), поликарбонат (PC) и полисилоксан, например, полидиметилсилоксан (PDMS). Особенно предпочтительный материал содержит PDMS.

Слой органов содержит автономную систему циркуляции. Автономная система циркуляции сконструирована так, чтобы имитировать сосудистую систему организма и, таким образом, снабжает все эквиваленты органов в устройстве в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению питательными веществами, O2 и обеспечивает возможность взаимодействия и взаимного - влияния между эквивалентами органов. Присутствие указанной автономной системы циркуляции является жизненно важным для гомеостаза во всем устройстве в виде мультиорганного чипа. Выражение "автономный" относится к тому, что жидкость может циркулировать в системе циркуляции и предпочтительно отсутствует жидкостное соединение для непрерывной подачи жидкости, например, среды, крови или эквивалента крови, из внешнего резервуара в систему циркуляции. В данном контексте, "внешний" означает, что резервуар не является составной частью системы циркуляции или устройства в виде мультиорганного чипа, например, не соединен с системой циркуляции посредством трубок. Если в ходе инкубации потребуется восполнение веществ, например, питательных веществ и/или жидкостей, предпочтительным является, чтобы такие питательные вещества или жидкости подавались прерывисто через отверстие подачи, которое предпочтительно располагается в артериолярном или венулярном транспортном канале системы циркуляции или располагается в антральном слое.

Автономная система циркуляции сконфигурирована так, чтобы она находилась в непосредственном жидкостном соединении с секциями роста органов для эквивалентов органов в слое органов посредством микровходов и выходов указанных секций роста органов. Структура и путь получения такой автономной системы циркуляции уже описаны в патентном документе WO 2012/016711 А1, раскрытие которого включено в данный документ посредством ссылки. Внутренняя поверхность автономной системы циркуляции может быть выстлана эндотелиальными клетками и необязательно клетками гладкой мускулатуры.

Автономная система циркуляции содержит:

артериолярный транспортный канал, который непосредственно соединяет микровыходы секций роста органов для эквивалента легкого с микровходами секций роста органов в слое органов, для обеспечения возможности транспорта жидкости с высоким значением р0₂ в указанные секции роста органов; и

венулярный транспортный канал, который непосредственно соединяет микровыходы секций роста органов с микровходами секций роста органов для эквивалента легкого, для обеспечения возможности транспорта жидкости с низким значением pO₂ из секций роста органов в эквивалент легкого.

Автономная система циркуляции может быть заполнена жидкостью, способной транспортировать питательные вещества и O₂ в эквиваленты органов. Предпочтительно указанная жидкость представляет собой кровь или эквивалент крови.

Жидкость в автономной системе циркуляции циркулирует направленно благодаря скоординированной работе приводов в слое приводов устройства в виде мультиорганного чипа. При этом возможно имитировать не только достаточное давление в системе циркуляции, которое соответствует давлению в сосудистой системе организма, но также обеспечивается возможность имитации сокращения сердца. Таким образом, автономная система циркуляции устройства в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению подходит для обеспечения сдвиговых усилий и микроокружения, которое соответствует ситуации, наблюдаемой при физиологических условиях.

Автономная система циркуляции может быть сконфигурирована так, что микровыходы секций роста органов для эквивалентов тонкого кишечника, селезенки и поджелудочной железы соединены так, что они находятся в непосредственном жидкостном соединении друг с другом и с дополнительными микровходами секций роста органов для эквивалента печени с обеспечением возможности жидкостного соединения эквивалента селезенки, поджелудочной железы, тонкого кишечника и печени таким образом, что жидкостное соединение селезенки, поджелудочной железы и тонкого кишечника с венулярным транспортным каналом автономной системы циркуляции может осуществляться только посредством прохождения через эквивалент печени. Это строение обеспечивает возможность имитации основных функций пищеварительной системы высшего организма такого как, например, человек. Преимущество такого строения заключается в том, что в устройстве в виде мультиорганного чипа можно проводить культивирование в течение длительного времени посредством снабжения эквивалента тонкого кишечника питательными веществами из резервуара, расположенного в антральном слое. Эквиваленты органов в устройстве в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению затем будут снабжаться питательными веществами, прошедшими пищеварительную систему. Таким образом, питательные вещества предусматриваются в такой форме и таким образом, что является в большей степени сопоставимым с физиологическими условиями в организме. Больше нет необходимости во внешнем резервуаре для среды, из которого постоянно осуществляется подача в систему циркуляции для снабжения эквивалентов органов.

Автономная система циркуляции и эквиваленты органов предпочтительно сконфигурированы так, что артериолярный транспортный канал, начинающийся из эквивалента легкого, имеет разветвления по направлению потока, в которых ответвляются артериолярные каналы, которые снабжают эквиваленты органов. Жидкость, проходящая через определенный эквивалент органа, направляется по каналу в венулярный транспортный канал через венулярные каналы, ответвляющиеся от венулярного транспортного канала в соответствующих разветвлениях. Предпочтительно автономная система циркуляции и эквиваленты органов сконфигурированы так, что артериолярный транспортный канал, начинающийся из эквивалента легкого, по направлению потока имеет следующее:

- первое разветвление, в котором ответвляется первый артериолярный канал, снабжающий эквивалент тонкого кишечника, селезенки и поджелудочной железы;

- второе разветвление, в котором ответвляется второй артериолярный канал, снабжающий эквивалент печени;

- третье разветвление, в котором ответвляется третий артериолярный канал, снабжающий эквивалент почки;

- четвертое разветвление, в котором ответвляется четвертый артериолярный канал, снабжающий эквивалент почки;

- пятое разветвление, в котором ответвляется пятый артериолярный канал, снабжающий костный мозг;

- необязательное шестое разветвление, в котором ответвляется шестой артериолярный канал, снабжающий эквивалент кожи;

- необязательное седьмое разветвление, в котором ответвляется седьмой артериолярный канал, снабжающий эквивалент жировой ткани;

- необязательное восьмое разветвление, в котором ответвляется восьмой артериолярный канал, снабжающий эквивалент яичек; и

- необязательное девятое разветвление, в котором ответвляется девятый артериолярный канал, снабжающий эквивалент головного мозга.

Автономная система циркуляции сконфигурирована так, что диаметр артериолярного транспортного канала по направлению потока постоянно уменьшается, так что сумма значений площади поперечного сечения всех артериолярных транспортных каналов, в том числе всех разветвлений на определенном расстоянии от эквивалента легкого, остается постоянной, и при этом в венулярном транспортном канале по направлению потока указанное уменьшение диаметра постоянно изменяется в обратном направлении, так что сумма значений площади поперечного сечения всех венулярных транспортных каналов, в том числе всех разветвлений на определенном расстоянии от эквивалента легкого, остается постоянной.

Слой органов может быть сконфигурирован так, что полости для органоидов секций роста органов являются открытыми со стороны, противоположной по отношению к базовому слою. Это обеспечивает возможность внесения органоидов или клеток-предшественников в соответствующие полости для органоидов перед получением полностью собранного устройства в виде мультиорганного чипа. В этом случае устройство в виде мультиорганного чипа дополнительно содержит в иных случаях необязательный слой, удерживающий органы. Слой, удерживающий органы, расположен между слоем органов и антральным слоем. Слой, удерживающий органы, сконфигурирован для изоляции и/или стабилизации слоя органов таким образом, что поддерживается взаимодействие выбранных эквивалентов органов с антральным слоем. Слой, удерживающий органы, может предусматриваться в виде слоя толщиной 50-500 мкм, предпочтительно толщиной 100-300 мкм, более предпочтительно толщиной 200 мкм. Слой, удерживающий органы, можно получить из материала, который содержит синтетический полимер, такой как, например, полистирол (PS), поликарбонат (PC), полисилоксан и/или полидиметилсилоксан (PDMS), или состоит из него. Предпочтительно материал содержит поликарбонат или состоит из него. В особенности в участках, где слой, удерживающий органы, покрывает эквивалент органа, который имеет экскреторную функцию и/или продуцирует значительное количество межклеточной жидкости, например, почка, печень, селезенка и тонкий кишечник, слой, удерживающий органы, сконфигурирован так, чтобы обеспечивать возможность жидкостного соединения слоя органов и антрального слоя. Этого жидкостного соединения можно достичь, например, путем обеспечения пор в слое, удерживающем органы, предпочтительно путем обеспечения пор со средним диаметром 5-7 мкм. В альтернативном случае или дополнительно, толщину слоя, удерживающего органы, в участке, обеспечивающем возможность жидкостного соединения слоя органов и слоя, удерживающего органы, можно уменьшить до средней толщины 5-15 мкм, предпочтительно до 10 мкм.

Устройство в виде мультиорганного чипа по настоящему изобретению содержит антральный слой, расположенный над слоем органов. Антральный слой сконфигурирован так, чтобы содержать множество полостей и трубок расположенных так, что они находятся в жидкостном соединении с выбранными эквивалентами органов или секциями роста органов для обеспечения возможности обмена жидкостями между полостями антрального с