Microfluidic Skin-on-a-Chip Models: Toward Biomimetic Artificial Skin.
artificial skin
drug development
microfluidics
organ‐on‐a‐chip
skin‐on‐a‐chip
Journal
Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)
ISSN: 1613-6829
Titre abrégé: Small
Pays: Germany
ID NLM: 101235338
Informations de publication
Date de publication:
10 2020
10 2020
Historique:
received:
21
04
2020
revised:
29
06
2020
entrez:
18
1
2021
pubmed:
19
1
2021
medline:
4
5
2021
Statut:
ppublish
Résumé
The role of skin in the human body is indispensable, serving as a barrier, moderating homeostatic balance, and representing a pronounced endpoint for cosmetics and pharmaceuticals. Despite the extensive achievements of in vitro skin models, they do not recapitulate the complexity of human skin; thus, there remains a dependence on animal models during preclinical drug trials, resulting in expensive drug development with high failure rates. By imparting a fine control over the microenvironment and inducing relevant mechanical cues, skin-on-a-chip (SoC) models have circumvented the limitations of conventional cell studies. Enhanced barrier properties, vascularization, and improved phenotypic differentiation have been achieved by SoC models; however, the successful inclusion of appendages such as hair follicles and sweat glands and pigmentation relevance have yet to be realized. The present Review collates the progress of SoC platforms with a focus on their fabrication and the incorporation of mechanical cues, sensors, and blood vessels.
Identifiants
pubmed: 33460277
doi: 10.1002/smll.202002515
doi:
Types de publication
Journal Article
Research Support, Non-U.S. Gov't
Review
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e2002515Informations de copyright
© 2020 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
Références
C. Karimkhani, R. P. Dellavalle, L. E. Coffeng, C. Flohr, R. J. Hay, S. M. Langan, E. O. Nsoesie, A. J. Ferrari, H. E. Erskine, J. I. Silverberg, T. Vos, M. Naghavi, JAMA Dermatol. 2017, 153, 406.
S. L. James, T. Vos, C. J. L. Murray, Lancet 2018, 392, 1789.
M. R. Prausnitz, R. Langer, Nat. Biotechnol. 2008, 26, 1261.
H. A. E. Benson, J. E. Grice, Y. Mohammed, S. Namjoshi, M. S. Roberts, Curr. Drug Delivery 2019, 16, 444.
M. N. Pastore, Y. N. Kalia, M. Horstmann, M. S. Roberts, Br. J. Pharmacol. 2015, 172, 2179.
M. R. Prausnitz, S. Mitragotri, R. Langer, Nat. Rev. Drug Discovery 2004, 3, 115.
J. A. DiMasi, H. G. Grabowski, R. W. Hansen, J. Health Econ. 2016, 47, 20.
M. Hay, D. W. Thomas, J. L. Craighead, C. Economides, J. Rosenthal, Nat. Biotechnol. 2014, 32, 40.
A. Bal‐Öztürk, B. Miccoli, M. Avci‐Adali, F. Mogtader, F. Sharifi, B. Çeçen, G. Yaşayan, D. Braeken, E. Alarcin, Curr. Pharm. Des. 2019, 24, 5437.
D. Huh, Y. S. Torisawa, G. A. Hamilton, H. J. Kim, D. E. Ingber, Lab Chip 2012, 12, 2156.
E. Kim, G. Erdos, S. Huang, T. W. Kenniston, S. C. Balmert, C. Donahue Carey, V. Stalin Raj, M. W. Epperly, W. B. Klimstra, B. L. Haagmans, E. Korkmaz, L. D. Falo, A. Gambotto, EBioMed. 2020, 55, 102743.
J. Fentem, D. Briggs, C. Chesné, G. Elliott, J. Harbell, J. Heylings, P. Portes, R. Roguet, J. J. van de Sandt, P. Botham, Toxicol. In Vitro 2001, 15, 57.
K. Duval, H. Grover, L. H. Han, Y. Mou, A. F. Pegoraro, J. Fredberg, Z. Chen, Physiology 2017, 32, 266.
L. C. Becker, W. F. Bergfeld, D. V. Belsito, R. A. Hill, C. D. Klaassen, D. Liebler, J. G. Marks, R. C. Shank, T. J. Slaga, P. W. Snyder, F. A. Andersen, Int. J. Toxicol. 2012, 31, 296S.
T. H. Park, M. L. Shuler, Biotechnol. Prog. 2003, 19, 243.
S. N. Bhatia, D. E. Ingber, Nat. Biotechnol. 2014, 32, 760.
F. Zheng, F. Fu, Y. Cheng, C. Wang, Y. Zhao, Z. Gu, Small 2016, 12, 2253.
N. Ashammakhi, M. A. Darabi, B. Çelebi‐Saltik, R. Tutar, M. C. Hartel, J. Lee, S. M. Hussein, M. J. Goudie, M. B. Cornelius, M. R. Dokmeci, A. Khademhosseini, Small Methods 2020, 4, 1900589.
M. H. Mohammadi, B. Heidary Araghi, V. Beydaghi, A. Geraili, F. Moradi, P. Jafari, M. Janmaleki, K. P. Valente, M. Akbari, A. Sanati‐Nezhad, Adv. Healthcare Mater. 2016, 5, 2459.
A. Guan, P. Hamilton, Y. Wang, M. Gorbet, Z. Li, K. S. Phillips, Nat. Biomed. Eng. 2017, 1, 45.
D. Huh, B. D. Matthews, A. Mammoto, M. Montoya‐Zavala, H. Yuan Hsin, D. E. Ingber, Science 2010, 328, 1662.
K. Ronaldson‐Bouchard, G. Vunjak‐Novakovic, Cell Stem Cell 2018, 22, 310.
K. L. Fetah, B. J. DiPardo, E. M. Kongadzem, J. S. Tomlinson, A. Elzagheid, M. Elmusrati, A. Khademhosseini, N. Ashammakhi, Small 2019, 15, 1901985.
D. Irimia, X. Wang, Trends Biotechnol. 2018, 36, 923.
L. J. van den Broek, L. I. J. C. Bergers, C. M. A. Reijnders, S. Gibbs, Stem Cell Rev. Reports 2017, 13, 418.
M. J. Randall, A. Jüngel, M. Rimann, K. Wuertz‐Kozak, Front. Bioeng. Biotechnol. 2018, 6, 154.
N. A. Monteiro‐Riviere, Structure and Function of Skin, Informa Healthcare, NC 2010.
K. A. Walters, Dermatological and Transdermal Formulations, CRC Press, FL 2002.
P. Oltulu, B. Ince, N. Kokbudak, S. Findik, F. Kilinc, Turk J Plast. Surg. 2018, 26, 56.
M. Sala, R. Diab, A. Elaissari, H. Fessi, Int. J. Pharm. 2018, 535, 1.
B. A. Morgan, Cold Spring Harbor Perspect. Med. 2014, 4, a015180.
R. R. Driskell, F. M. Watt, Trends Cell Biol. 2015, 25, 92.
J. M. Sorrell, A. I. Caplan, J. Cell Sci. 2004, 117, 667.
C. Frantz, K. M. Stewart, V. M. Weaver, J. Cell Sci. 2010, 123, 4195.
M. E. Lane, Int. J. Pharm. 2013, 447, 12.
K. Bäsler, S. Bergmann, M. Heisig, A. Naegel, M. Zorn‐Kruppa, J. M. Brandner, J. Controlled Release 2016, 242, 105.
N. Kirschner, R. Rosenthal, M. Furuse, I. Moll, M. Fromm, J. M. Brandner, J. Invest. Dermatol. 2013, 133, 1161.
H. Wosicka, K. Cal, J. Dermatol. Sci. 2010, 57, 83.
B. Orzechowska, J. Pabijan, J. Wiltowska‐Zuber, J. Zemła, M. Lekka, J. Biomech. 2018, 74, 134.
S. Werner, T. Krieg, H. Smola, J. Invest. Dermatol. 2007, 127, 998.
H. Smola, G. Thiekotter, N. E. Fusenig, J. Cell Biol. 1993, 122, 417.
B. A. Schmidt, V. Horsley, Dev. 2013, 140, 1517.
B. M. Baker, C. S. Chen, J. Cell Sci. 2012, 125, 3015.
B. Hinz, G. Gabbiana, Thromb. Haemost. 2003, 90, 993.
J. Nie, Q. Gao, Y. Wang, J. Zeng, H. Zhao, Y. Sun, J. Shen, H. Ramezani, Z. Fu, Z. Liu, M. Xiang, J. Fu, P. Zhao, W. Chen, Y. He, Small 2018, 14, 1802368.
M. Parmaksiz, A. Dogan, S. Odabas, A. E. Elçin, Y. M. Elçin, Biomed. Mater. 2016, 11, 022003.
S. F. Badylak, Ann. Biomed. Eng. 2014, 42, 1517.
S. V. Murphy, A. Atala, Nat. Biotechnol. 2014, 32, 773.
N. Cubo, M. Garcia, J. F. Del Cañizo, D. Velasco, J. L. Jorcano, Biofabrication 2017, 9, 015006.
B. S. Kim, J. S. Lee, G. Gao, D. W. Cho, Biofabrication 2017, 9, 025034.
B. S. Kim, G. Gao, J. Y. Kim, D. W. Cho, Adv. Healthcare Mater. 2019, 8, 1801019.
W. L. Ng, J. T. Z. Qi, W. Y. Yeong, M. W. Naing, Biofabrication 2018, 10, 025005.
H. E. Abaci, K. Gledhill, Z. Guo, A. M. Christiano, M. L. Shuler, Lab Chip 2015, 15, 882.
E. Sano, C. Mori, N. Matsuoka, Y. Ozaki, K. Yagi, A. Wada, K. Tashima, S. Yamasaki, K. Tanabe, K. Yano, Y. S. Torisawa, Micromachines 2019, 10, 793.
M. W. Toepke, D. J. Beebe, Lab Chip 2006, 6, 1484.
R. Kemkemer, Z. Zenghao, Y. Linxiao, K. Athanasopulu, K. Frey, Z. Cui, H. Su, L. Luo, Curr. Dir. Biomed. Eng. 2019, 5, 93.
V. S. Shirure, S. C. George, Lab Chip 2017, 17, 681.
A. E. Ongaro, D. Di Giuseppe, A. Kermanizadeh, A. Miguelez Crespo, A. Mencattini, L. Ghibelli, V. Mancini, K. L. Wlodarczyk, D. P. Hand, E. Martinelli, V. Stone, N. Howarth, V. La Carrubba, V. Pensabene, M. Kersaudy‐Kerhoas, Anal. Chem. 2020, 92, 6693.
S. Lee, S. P. Jin, Y. K. Kim, G. Y. Sung, J. H. Chung, J. H. Sung, Biomed. Microdevices 2017, 19, 22.
A. T. O’Neill, N. A. Monteiro‐Riviere, G. M. Walker, Cytotechnology 2008, 56, 197.
I. Wagner, E. M. Materne, S. Brincker, U. Süßbier, C. Frädrich, M. Busek, F. Sonntag, D. A. Sakharov, E. V. Trushkin, A. G. Tonevitsky, R. Lauster, U. Marx, Lab Chip 2013, 13, 3538.
J. J. Kim, F. Ellett, C. N. Thomas, F. Jalali, R. R. Anderson, D. Irimia, A. B. Raff, Lab Chip 2019, 19, 3094.
H. Y. Lim, J. Kim, H. J. Song, K. Kim, K. C. Choi, S. Park, G. Y. Sung, J. Ind. Eng. Chem. 2018, 68, 238.
H. M. Jeon, K. Kim, K. C. Choi, G. Y. Sung, J. Ind. Eng. Chem. 2020, 82, 71.
H. J. Song, H. Y. Lim, W. Chun, K. C. Choi, T. yong Lee, J. H. Sung, G. Y. Sung, J. Ind. Eng. Chem. 2018, 60, 355.
H. J. Song, H. Y. Lim, W. Chun, K. C. Choi, J. H. Sung, G. Y. Sung, J. Ind. Eng. Chem. 2017, 56, 375.
B. Ataç, I. Wagner, R. Horland, R. Lauster, U. Marx, A. G. Tonevitsky, R. P. Azar, G. Lindner, Lab Chip 2013, 13, 3555.
M. Wufuer, G. H. Lee, W. Hur, B. Jeon, B. J. Kim, T. H. Choi, S. H. Lee, Sci. Rep. 2016, 6, 37471.
S. Kim, H. Lee, M. Chung, N. L. Jeon, Lab Chip 2013, 13, 1489.
N. Jusoh, J. Ko, N. L. Jeon, APL Bioeng. 2019, 3, 036101.
G. Sriram, M. Alberti, Y. Dancik, B. Wu, R. Wu, Z. Feng, S. Ramasamy, P. L. Bigliardi, M. Bigliardi‐Qi, Z. Wang, Mater. Today 2018, 21, 326.
N. Sasaki, K. Tsuchiya, H. Kobayashi, Sensors Mater. 2019, 31, 107.
Q. Ramadan, F. C. W. Ting, Lab Chip 2016, 16, 1899.
N. Mori, Y. Morimoto, S. Takeuchi, Biofabrication 2019, 11, 011001.
N. Mori, Y. Morimoto, S. Takeuchi, Biomaterials 2017, 116, 48.
A. M. Malek, S. L. Alper, Stress Int. J. Biol. Stress 1999, 282, 2035.
A. J. Brown, Z. Teng, P. C. Evans, J. H. Gillard, H. Samady, M. R. Bennett, Nat. Rev. Cardiol. 2016, 13, 210.
M. A. Unger, H. P. Chou, T. Thorsen, A. Scherer, S. R. Quake, Science 2000, 288, 113.
M. Mohammed, P. Thurgood, C. Gilliam, N. Nguyen, E. Pirogova, K. Peter, K. Khoshmanesh, S. Baratchi, Anal. Chem. 2019, 91, 12077.
T. Agarwal, G. H. Narayana, I. Banerjee, Cytoskeleton 2019, 76, 209.
Z. Huang, J. Chen, J. Ma, B. Shen, F. Pei, V. B. Kraus, Osteoarthr. Cartilage 2015, 23, 1437.
J. Lee, K. Ko, H. Shin, S. J. Oh, C. J. Lee, N. Chou, N. Choi, M. Tack Oh, B. Chul Lee, S. Chan Jun, I. J. Cho, Microsyst. Nanoeng. 2019, 5, 28.
B. Hu, Y. Zhang, J. Zhou, J. Li, F. Deng, Z. Wang, J. Song, PLoS One 2014, 9, e95168.
S. Zhou, A. Schmelz, T. Seufferlein, Y. Li, J. Zhao, M. G. Bachem, J. Biol. Chem. 2004, 279, 54463.
R. F. de Oliveira, D. A. A. Pires Oliveira, A. H. A. Machado, N. S. da Silva, M. Magini, C. Pacheco‐Soares, Cell Biol. Int. 2008, 32, 1329.
D. E. Discher, P. Janmey, Y. L. Wang, Science 2005, 310, 1139.
J. Lee, A. A. Abdeen, K. A. Kilian, Sci. Rep. 2014, 4, 20.
P. Gupta, G. Hari Narayana S. N., U. Kasiviswanathan, T. Agarwal, K. Senthilguru, D. Mukhopadhyay, K. Pal, S. Giri, T. K. Maiti, I. Banerjee, RSC Adv. 2016, 6, 3539.
C. C. Hunt, D. Ottoson, J. Physiol. 1975, 252, 259.
E. Tokuyama, Y. Nagai, K. Takahashi, Y. Kimata, K. Naruse, PLoS One 2015, 10, e0141989.
F. Reno, V. Traina, M. Cannas, Cell Adhes. Migr. 2009, 3, 239.
K. Nishimura, P. Blume, S. Ohgi, B. E. Sumpio, J. Surg. Res. 2009, 155, 125.
M. Kurita, M. Okazaki, T. Fujino, A. Takushima, K. Harii, Biochem. Biophys. Res. Commun. 2011, 409, 103.
S. Oh, H. Chung, S. Chang, S. H. Lee, S. H. Seok, H. Lee, Sci. Rep. 2019, 9, 5156.
D. Lü, X. Liu, Y. Gao, B. Huo, Y. Kang, J. Chen, S. Sun, L. Chen, X. Luo, M. Long, PLoS One 2013, 8, e74563.
H. Kamble, M. J. Barton, M. Jun, S. Park, N. T. Nguyen, Lab Chip 2016, 16, 3193.
Bio‐Equip, https://bio‐equip.cn/ (accessed: April 2020).
Flexcell International: Cell Stretching Bioreactors, https://www.flexcellint.com/ (accessed: April 2020).
TA Instruments, https://www.tainstruments.com/ (accessed: April 2020).
StrexCell: Cell Stretching and Freezing | Strex Cell, https://strexcell.com/ (accessed: April 2020).
D. Tremblay, S. Chagnon‐Lessard, M. Mirzaei, A. E. Pelling, M. Godin, Biotechnol. Lett. 2014, 36, 657.
J. Kreutzer, L. Ikonen, J. Hirvonen, M. Pekkanen‐Mattila, K. Aalto‐Setälä, P. Kallio, Med. Eng. Phys. 2014, 36, 496.
F. S. Frueh, M. D. Menger, N. Lindenblatt, P. Giovanoli, M. W. Laschke, Crit. Rev. Biotechnol. 2017, 37, 613.
K. Scheller, I. Dally, N. Hartmann, B. Münst, J. Braspenning, H. Walles, Tissue Eng., Part C 2013, 19, 57.
R. Xie, W. Zheng, L. Guan, Y. Ai, Q. Liang, Small 2020, 16, 1902838.
A. E. Matei, C. W. Chen, L. Kiesewetter, A. H. Györfi, Y. N. Li, T. Trinh‐Minh, X. Xu, C. Tran Manh, T. Van Kuppevelt, J. Hansmann, A. Jüngel, G. Schett, F. Groeber‐Becker, J. H. W. Distler, Ann. Rheum. Dis. 2019, 78, 1686.
B. Srinivasan, A. R. Kolli, M. B. Esch, H. E. Abaci, M. L. Shuler, J. J. Hickman, J. Lab. Autom. 2015, 20, 107.
Home | cellasys.com system solutions for microphysiometry, https://www.cellasys.com/ (accessed: April 2020).
F. A. Alexander, S. Eggert, J. Wiest, Genes. 2018, 9, 114.
J. Kieninger, A. Weltin, H. Flamm, G. A. Urban, Lab Chip 2018, 18, 1274.
Y. S. Zhang, J. Aleman, S. R. Shin, T. Kilic, D. Kim, S. A. M. Shaegh, S. Massa, R. Riahi, S. Chae, N. Hu, H. Avci, W. Zhang, A. Silvestri, A. S. Nezhad, A. Manbohi, F. De Ferrari, A. Polini, G. Calzone, N. Shaikh, P. Alerasool, E. Budina, J. Kang, N. Bhise, J. Ribas, A. Pourmand, A. Skardal, T. Shupe, C. E. Bishop, M. R. Dokmeci, A. Atala, A. Khademhosseini, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017, 114, E2293.
W. Shang, C. Y. Chen, K. Lo, G. F. Payne, W. E. Bentley, Sens. Actuators, B. 2019, 295, 30.
M. Matsusaki, K. Fujimoto, Y. Shirakata, S. Hirakawa, K. Hashimoto, M. Akashi, J. Biomed. Mater. Res., Part A 2015, 103, 3386.
A. Asif, K. H. Kim, F. Jabbar, S. Kim, K. H. Choi, Microfluid. Nanofluid. 2020, 24, 43.
Y. I. Wang, H. E. Abaci, M. L. Shuler, Biotechnol. Bioeng. 2017, 114, 184.
S. Jalili‐Firoozinezhad, F. S. Gazzaniga, E. L. Calamari, D. M. Camacho, C. W. Fadel, A. Bein, B. Swenor, B. Nestor, M. J. Cronce, A. Tovaglieri, O. Levy, K. E. Gregory, D. T. Breault, J. M. S. Cabral, D. L. Kasper, R. Novak, D. E. Ingber, Nat. Biomed. Eng. 2019, 3, 520.
B. Lukács, Á. Bajza, D. Kocsis, A. Csorba, I. Antal, K. Iván, A. J. Laki, F. Erdő, Pharmaceutics 2019, 11, 445.
Z. H. Jin, Y. L. Liu, W. T. Fan, W. H. Huang, Small 2020, 16, 1903204.
E. Desmet, A. Ramadhas, J. Lambert, M. Van Gele, Exp. Biol. Med. 2017, 242, 1158.
B. Bandarchi, L. Ma, R. Navab, A. Seth, G. Rasty, Dermatol. Res. Pract. 2010, 2010, 583748.
L. Semlin, M. Schäfer‐Korting, C. Borelli, H. C. Korting, Drug Discovery Today 2011, 16, 132.
S. Biglari, T. Y. L. Le, R. P. Tan, S. G. Wise, A. Zambon, G. Codolo, M. De Bernard, M. Warkiani, A. Schindeler, S. Naficy, P. Valtchev, A. Khademhosseini, F. Dehghani, Adv. Healthcare Mater. 2019, 8, 1801307.
J. H. W. Distler, A.‐H. Györfi, M. Ramanujam, M. L. Whitfield, M. Königshoff, R. Lafyatis, Nat. Rev. Rheumatol. 2019, 15, 705.
Q. Zhang, L. Sito, M. Mao, J. He, Y. S. Zhang, X. Zhao, Microphysiol. Syst. 2018, 2, 4.
Y. E. Yun, Y. J. Jung, Y. J. Choi, J. S. Choi, Y. W. Cho, J. Pharm. Invest. 2018, 48, 215.
S. F. Ng, J. J. Rouse, F. D. Sanderson, V. Meidan, G. M. Eccleston, AAPS PharmSciTech 2010, 11, 1432.
K. Kim, H. M. Jeon, K. C. Choi, G. Y. Sung, Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 3898.
M. Boyd‐Moss, S. Baratchi, M. Di Venere, K. Khoshmanesh, Lab Chip 2016, 16, 3177.
P. Thurgood, S. A. Suarez, S. Chen, C. Gilliam, E. Pirogova, A. R. Jex, S. Baratchi, K. Khoshmanesh, Lab Chip 2019, 19, 2885.
J. Y. Zhu, S. A. Suarez, P. Thurgood, N. Nguyen, M. Mohammed, H. Abdelwahab, S. Needham, E. Pirogova, K. Ghorbani, S. Baratchi, K. Khoshmanesh, Anal. Chem. 2019, 91, 15784.
H. E. Abaci, Z. Guo, Y. Doucet, J. Jacków, A. Christiano, Exp. Biol. Med. 2017, 242, 1657.
A. Geraili, P. Jafari, M. S. Hassani, B. H. Araghi, M. H. Mohammadi, A. M. Ghafari, S. H. Tamrin, H. P. Modarres, A. R. Kolahchi, S. Ahadian, A. Sanati‐Nezhad, Adv. Healthcare Mater. 2018, 7, 1700426.