Development of a multi-sensor integrated organ-on-a-chip platform for studying parkinson`s disease

Abstract

Organoid-Technologie beschreibt ein wissenschaftliches Feld, das sich auf die Erzeugung miniaturisierter Gewebeanaloga konzentriert, die in der Lage sind, komplizierte organtypische Eigenschaften sowohl auf struktureller als auch auf funktioneller Ebene in vitro zu emulieren. Als solches ist es zu einem unverzichtbaren Werkzeug in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Disziplinen geworden, die von der Biotechnik bis zur pharmazeutischen Entwicklung reichen. Ein konkretes Beispiel stellt das wissenschaftliche Feld um Parkinson dar, eine neurodegenerative Erkrankung, die aufgrund des anhaltenden Mangels an neuroprotektiven und krankheitsmodifizierenden Behandlungsstrategien bis heute auf eine symptomatische Behandlung beschränkt ist. Trotz erheblicher Fortschritte im Modellieren von Parkinson mittels sogenannter Mittelhirn-Organoide hindern drei wesentliche Faktoren die Technologie daran, ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Zu diesen Nachteilen gehören (i) die Vernachlässigung biophysikalischer Stimuli wie dem interstitiellen Flüssigkeitsfluss, ein wesentlicher Akteur bei der Gewebehomöostase (ii) Wachstumsbeschränkungen aufgrund von Nährstoffmangel, die sich aus der intrinsischen Struktur der Organoide und einem damit einhergehenden Mangel an Gefäßen ergeben sowie (iii) geringe analytische Zugänglichkeit, die eine zeitaufgelöste Überwachung erschwert. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurde eine Multisensor-integrierte Organ-on-a-Chip-Plattform für die langfristige Kultivierung und nicht- invasive Überwachung von Organoiden des menschlichen Mittelhirns entwickelt. Die Entwicklung, Charakterisierung und anschließende Integration optischer, elektrischer und elektrochemischer Sensoren ermöglichte die nicht-invasive Messung kritischer physiologischer Aspekte wie dem Sauerstoffbedarf, der elektrophysiologischen Aktivität sowie der Ausschüttung von Dopamin in vitro. Zudem begünstigte ein dynamisches Kultivierungsmilieu die Differenzierung und Viabilität humaner Mittelhirn Organoide. Charakteristische pathologische Phänotypen, darunter eine beeinträchtigte mitochondriale Aktivität, eine verringerte Anzahl dopaminerger Neuronen und aggregiertes α-Synuclein wurden bei der Kultivierung von Patienten-spezifischen Organoiden emuliert. Zudem konnten nach Behandlung der Mikrogewebe mit dem umfunktionierten Zuckermolekül 2- Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin phänotypische Rettungseffekte beobachtet werden, die die Anwendbarkeit der Plattform für Wirkstoff-Screening-Zwecke unterstreicht.

Organoid technology describes a scientific field that concentrates on the in vitro generation of miniaturized tissue analogs capable of emulating intricate organotypic characteristics on both a structural and functional level. As such, it has become an indispensable tool in many scientific disciplines, from biological engineering to pharmaceutical development. One specific example constitutes the field of Parkinson’s disease, a neurodegenerative disorder that, to this date, remains restricted to symptomatic control due to a persistent lack of neuroprotective and disease-modifying treatment strategies. Despite the recent progress that has been accomplished by modeling Parkinson’s disease employing midbrain organoids, three key limitations hinder the technology from reaching its full potential. These drawbacks include (i) the omittance of critical biophysical cues such as interstitial fluid flow, (ii) nutrient-deficiency-based growth restrictions resulting from the organoids' intrinsic structure, and the concomitant lack of vasculature, as well as (iii) low analytical accessibility impeding time-resolved monitoring. In this doctoral study, a multi-sensor integrated organ-on-a-chip platform for the long-term cultivation and non-invasive monitoring of human midbrain organoids was developed. While the development, characterization, and subsequent integration of optical, electrical, and electrochemical sensors enabled the non-invasive monitoring of vital physiological aspects in vitro, including oxygen demand, electrophysiological activity, and dopamine release, the dynamic cultivation milieu, could markedly enhance organoid viability and differentiation. Key pathological phenotypes encompassing impaired mitochondrial activity, reduced numbers of dopaminergic neurons, and aggregated α-synuclein were emulated when cultivating organoids derived from a Parkinson’s patient. Upon exposing the midbrain organoids to the repurposed excipient 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin, marked rescue effects were observed, highlighting the platform's applicability for drug screening purposes.