thumb|Organer på brikker: Fra øverst til nederst, øye på brikke, lunger på brikke og blodkar på brikke Et organ på brikke, også kalt organ på chip og mikrofysiologisk system, er et biomimetisk mikrosystem som kan brukes til å simulere mekanismer og fysiologiske reaksjoner som foregår i kroppens organer. Hvert system er en mikrobrikke, på størrelse med en minnepinne, og består av kammere, kanaler og elektriske komponenter som kan kontrolleres med høy nøyaktighet. I disse brikkene plasserer man celler – ulike typer for ulike organer – der de igjen får vokse sammen til vev i et kontrollert miljø. Brikken brukes til å studere cellenes struktur og funksjonalitet, som igjen kan brukes som en modell for hvordan funksjonaliteten er i de tilsvarende menneskelige organene. Ved hjelp av mikroteknologi kan man tilsette ulike stoffer, som igjen kan gi ny kunnskap om hvordan kroppens organer reagerer på ulike medisiner, bakterier, virus, giftstoffer og lignende.

Organ på brikke gjør det mulig å studere cellekulturer som til en viss grad får en tredeminsjonal struktur, der man kan simulere, kontrollere og overvåke ulike prosesser med høy presisjon. Det sammenlignes med, bygger på og kan muligens erstatte teknologi som tidligere ble utført i to dimensjoner, samt andre tredimensjonale modeller. Det regnes også som et mulig bedre alternativ til dyreforsøk.

Det første organ på brikke som ble laget var en lunge på brikke. Denne ble laget av Shuichi Takayama fra University of Michigan i 2007, og så videreutviklet av forskere ved Wyss Institute ved Harvard University, ledet av Donald Ingber. I 2010 kunne de presentere en brikke for membranen mellom lungene og blodsystemet, der dette vevet hadde samme karakteristiske egenskaper som ekte lunger. Dette førte igjen til ny forskning på lignende systemer både ved Harvard og andre steder.

Det er utviklet ulike brikker for mange ulike organer; hver av de er en modell på en liten, men viktig del av organet det representerer. Mange av de er igjen spesialisert til å se på visse sykdommer, med den underliggende idéen at man etterhvert skal kunne bruke disse til å forske på nye medisiner mot disse sykdommene. I tillegg forskes det på sammensatte systemer av flere brikker, der vev fra flere ulike typer organer kombineres og settes i kontakt med hverandre i samme brikke. Forskere har ambisjoner om å bedre kunne modellere interaksjon mellom ulike organer ved hjelp av slike systemer. De fleste studier fokuserer på mennesket, og bruker celler som er hentet fra eller differansiert fra celler med menneskelig opphav. Det finnes imidlertid også noen studier som ser på organer fra andre dyr.

Utforming og kontrollparametre thumb|Illustrasjon som viser hvordan væske, som f.eks. etterligner blod, kan bevege seg i forhold til vevet i en brikke. En organ på brikke lages vanligvis av klar, gjennomsiktig polymer, og er på størrelse med en minnepinne. Brikkene har små kamre for ulike typer vev og cellekulturer, samt tilstøtende små kanaler for transport av væske og luft. For å utvikle disse brikkene benyttes teknikker kjent fra mikroteknologi og mikrofluidmekanikk; dette gjør det mulig å kontrollere og overvåke cellemiljøet med høy presisjon, og å utsette de ulike delene for mekanisk, elektronisk og biokjemisk påvirkning.

Det er vanlig å bruke polydimetylsiloksan (PDMS), et organisk polymer og et type silikon, for å lage brikkene. PDMS er biokompotabelt (ikke giftig for cellevevet), gjennomsiktig, har god permabilitet (gasser kan trenge igjennom det) og er relativt billig. Materialet er lett å forme ved hjelp av litografi, hvilket gjør det mulig å produsere ulike design for ulike brikker. For enkelte eksperimenter har PDMS egenskaper som skaper uønskede effekter, og i slike tilfeller forsøker forskere å bruke andre materialer. For ulike typer celler og igjen i ulike typer eksperimenter bruker man brikker spesiallaget for det gitte eksperimentet. Ved hjelp av teknikker som fotolitografi og mikrokontakt-printing kan man lage brikkene utformet spesielt for de eksperimentene man skal utføre.

Forskere har også brukt mikroteknologi og mikrofluidikk for å kontrollere og overvåke dette i andre biometriske systemer, og organ på brikke-systemer bygger på dette. Det første systemet som kombinerte et slikt elektronisk/mikrofluidisk system med biologisk materiale, der man kunne gjenkjenne materialets biologiske funksjon, ble kalt for lunge på brikke (lung-on-a-chip).

Væskestrøm Ved hjelp av mikropumper og små kanaler kan man føre væske inn i en brikke, og utsette cellene og vevet for en konstant eller varierende væskestrøm. På denne måten kan man tilføre næringsstoffer, samt utsette vevet for en konstant skjærspenning etterligned ved hjelp av væskeflyten. Dette gjenskaper igjen vevets naturlige miljø der det i kroppen konstant utsettes for væskestrøm, f.eks. ved kontakt med blodomløpet. Studier viser at cellene organiserer seg bedre i ulike komponenter (organ polarity) i et slikt miljø.

Konsentrasjonsgradient På en lignende måte kan man bruke mikropumpene til å tilsette kjemikalier til vevet, med høy presisjon; man kan nøye kontrollere hvor mye som blir overført. Komponentene løses opp i væske, som igjen føres inn til kammeret der vevet befinner seg – enten som en jevn strøm, eller de kan programmeres til å følge et mer komplekst mønster – varierende over tid og rom. Mange fysiologiske prosesser kan stimuleres ved hjelp av gradvis konsentrasjonen av biokjemiske molekyler på denne måten. I tillegg kan medisiner tilsettes på samme måte, slik at man ser hvordan vevet reagerer på disse – over ulike konsentrasjoner.

Dynamisk mekanisk spenning Vev i kroppen er konstant utsatt for mekansisk spenning, generert av blodstrøm, skjelettet, muskler og lignende. Ved hjelp av en porøs membran som kan strekkes kan man utsette vevet i brikkene for spenning som endrer seg periodisk. Videre er det, ved hjelp av 3D-teknologi, mulig å plassere cellene i kamrene i ulike mønstre. Dette har blitt brukt til å studere interaksjon mellom ulike typer celler og ulike typer vev.

Plassering av celler Ulike organer er satt sammen av celler i komplekse mønstre, der ulike lag danner vev som igjen interakterer med hverandre og sine omgivelser. Mange brikker har ulike kammere for ulike typer vev, som eventuelt er adskilt av en membran – men cellene kan også plasseres i mer intriktrate mønstere enn dette. Ved hjelp av 3D-printing kan man modifisere og eksperimentere med dannelsen av ulike mønstre cellene kan plasseres i. Dette har spesielt blitt brukt til å forske på interaksjon mellom epitel- og mesenkym-celler.

Cellekulturer For å lage ulike typer brikker har det blitt benyttet primærceller, cellelinjer, induserte pluripotente stamceller (iPSCs), embryonale stamceller (ESCs) og adulte stamceller (ACs). Primærceller og cellelinjer består av én bestemt type celle, mens de ulike stamcellene kan differensieres til ulike spesialiserte celletyper.

Kilden til det biologiske materialet er et av de viktigste faktorene når man utvikler organ på brikke-systemer. Hvilken kilde som blir brukt kommer an på tilgjengelighet og funksjonalitet, og for ulike typer brikker benyttes ulike opphav. Primærceller og cellelinjer kan benyttes direkte, mens pluripotente stamceller differensieres til ulike somatiske celler. Primærceller er modne og funksjonelle, og kan dermed gi et mer presist resultat, men menneskelige primærceller er ofte ikke så lett tilgjengelig. Cellelinjer, induserte pluripotente stamceller og adulte stamceller er lettere å utvikle utenfor kroppen, men mangler enkelte av funksjonene som karakteriserer organet man forsøker å etterligne.

Primærceller Primærceller, celler tatt fra vev i menneskekroppen, regnes som mest representative for sine organer. Disse blir donert frivillig fra donorer, der man enten kan ta celler direkte fra donerte organer, eller fra vev gitt ved en post-mortem-donasjon. Ofte er det begrenset hvor mange celler man kan få per donasjon. Cellene kan ha ulike egenskaper, ettersom de er gitt av ulike donorer, og det kan dermed være vanskelig for forskere å utføre sammenlignbare eksperimenter – man vet ikke om forskjellen kommer av ulikheter i cellene eller faktisk endres i løpet av eksperimentet. Primærceller holder seg også levende over kortere tid, og vil stoppe å dele seg (skape nye celler) raskere, enn det man ser for andre kilder.

Primærceller har blitt brukt for å utvikle brikker for nyrene, hjernen og huden.

Cellelinjer Cellelinjer er cellekulturer som er modifisert slik at de lever «uendelig», slik at man får en cellekultur som stadig deler seg og vokser over tid. Dette gjør at de er mye lettere å få tak i, og i mye større kvanta, enn primærceller. De er også relativt like, som både gjør at forskere får konsistente, sammenlignbare resultater som også er mulig for andre forskere å gjenskape igjen om ønskelig. Slike cellelinjer har blitt brukt for utallige anvendelser, for eksempel i utvikling av nye medisiner og vaksiner. Imidlertid mangler de ofte karakteristiske egenskaper ved organet de representerer.

Cellelinjer har blitt brukt for å utvikle brkker for lungene, leveren, nyrene, tarmene, hjernen/blod-hjerne-barrieren, blodsystemet og kreft.

Embryonale stamceller Embryonale stamceller (ESCs) er pluripotente stamceller utviklet fra den indre cellemassen av en blastocyst, før denne utvikler seg til et embryo. ESCs kan differensieres til alle celletyper, og ved gjentagende forsøk får man konsistente resultater, hvilket gjør sammenligning lettere. Imidlertid er bruken av disse etnisk kontroversiell, og forskning på disse er dermed relativt strengt regulert. Å bruke ESCs gjør det også vanskelig å dekke et bredt genetisk spekter, hvilket kan være viktig for å fange opp variasjon hos mennesker med forskjellig genetisk bakgrunn. I tillegg er celler basert på ESCs umodne, som gjør at de ikke direkte er sammenlignbare med cellene i kroppen, som har utviklet seg over mye lengre tid.

Induserte pluripotente stamceller Induserte pluripotente stamceller (iPSCs) kan utvikles fra alle somatiske celler, det vil si celler som egentlig er ferdig utviklet til å ha en spesiell funksjon. Induserte pluripotente stamceller ble først utviklet i 2006, der de viste at ved å ta somatiske celler fra mennesket og behandle disse med gener – Oct3/4, Sox2, c-Myc og Klf4 – kunne disse utvikles til pluripotente stamceller. Disse kan videre differensieres til organ-spesifikke celletyper. Slik kan man altså for eksempel ta utgangspunkt hudceller, og utvikle disse til hjerteceller. thumb|900px|center|Skjematisk figur for hvordan man utvikler et organ på brikke ved hjelp av induserte pluripotente stamceller.

iPSCs kan i likhet med ESCs utvikles til alle typer celler, men er også umodne i sammenligning med cellene som finnes i kroppen. Til forskjell fra EPSC er det imidlertid få etiske problemstillinger knyttet til forskning på dem. Resultatene kan være mindre konsistente når man sammenligner ulike eksperimenter, men det er lettere å dekke et bredere genetisk spekter, siden de er lettere tilgjengelig.

Å basere cellevevet på induserte pluripotente stamceller gjør det mulig å studere cellevev for utvalgte grupper og enkeltpersoner, og dermed utføre studier spesielt for disse. Dette kan være viktig i utviklingen av persontilpasset medisin, samt studier av hvordan visse sykdommer utvikles hos en gitt person eller gruppe.

Induserte pluripotente stamceller har blitt brukt for å utvikle brikker for hjertet, nyrene, leveren, hjernen/blod-hjerne-barrieren, huden og blodsystemet.

Adulte stamceller