مقدمه: رشد نیاز به مهندسی پیشرفته بافت عصبی

توانایی پرورش شبکه های عصبی عملکردی در vitro تبدیل به سنگ بنای علوم اعصاب مدرن و داروهای بازسازی شده است. فرهنگ های سلول دو بعدی (2D) سنتی، در حالی که مفید، در شبیه سازی معماری پیچیده سه بعدی (3D) و تجزیه و تحلیل های بالینی مربوط به سلول ها، و نشانه های مکانیکی از بافت بومی طراحی شده است. Bioreactors به طور خاص برای بافت عصبی به عنوان آخرین ابزار مهم برای ساخت این شکاف های کوچک، دقیقا کنترل شده است.

اصول طراحی بنیادی برای Bioreactors عصبی

Bioreactors برای کشت بافت عصبی باید به چندین چالش منحصر به فرد توجه کنند: تقاضای متابولیک بالا، حساسیت به استرس هلیوم، نیاز به پشتیبانی ماتریس اضافی 3D (ECM) و نیاز به تحریک الکتریکی و شیمیایی مزمن برای ارتقاء فعالیت شبکه. طرح های مدرن ادغام ویژگی های متعدد برای پاسخگویی به این خواسته ها.

جریان مایع دینامیک و انتقال انبوه

تحویل مواد مغذی موثر و حذف زباله برای ساخت های 3D ضخامت ضروری است. [۱] bioreactors از جریان پیوسته یا تپ اختری برای افزایش انتقال توده ای در سراسر داربست استفاده می کنند. [CFD] مدل سازی مایع محاسباتی (CFD) اجازه داده است تا مهندسان برای بهینه سازی نرخ جریان برای جلوگیری از آسیب ناشی از هلیوم در حالی که حفظ تنش اکسیژن کافی است، مانند انتشار در [F:0] و مهندسی نورو [F] که از نورو پشتیبانی می کند.

تحریک مکانیکی و الکتریکی

بافت عصبی بومی نیروهای مکانیکی را از حرکات مغز و جریان مایع تجربه می کند. ( Bioreactors) در حال حاضر کشش یا فشرده سازی را برای تقلید از این نشانه ها، ترویج هم تراز و تشکیل سیناپسی، از طریق الکترود های جاسازی شده یا داربست های رسانا، برای مثال، یک مطالعه در Stem Cell Reports] گزارش می کند.[۳][۳]

نوآوری های تکنولوژی کلیدی رانندگی در زمینه

Microfluidic Bioreactors برای کنترل بالا

سیستم عامل های میکروفلوئیدیک کنترل بی سابقه ای بر محیط میکرو سلولی ارائه می دهند (این دستگاه ها معمولاً شامل میکروکانال ها (10-500 μm) هستند که رسانه های تازه را تحویل می دهند و زباله ها را در حالی که امکان تصویربرداری از زمان واقعی را فراهم می کنند، طرح های اخیر چندینLT را برای ترکیب سد مغز خون یا ایجاد غربالگری مواد مخدر مبتنی بر گرادیان به عنوان مثال قابل توجه "thecitical" که توسط محققان تراشه 3 ⁇ D توسعه یافته است، ترکیب می شود.

سیستم های خودکار و با کیفیت بالا

دستی مدیریت تنوع را معرفی می کند که مانع بازتولید قابلیت، به ویژه برای ترجمه بالینی، بیکنندگان خودکار در حال حاضر شامل دستکاری مایع رباتیک، پمپ های کنترل بازخورد و بینایی کامپیوتر برای نظارت بر سیستم های سلامت سلول مانند پلت فرم "BrainStem" از Tisuse GmbH اجازه می دهد فرهنگ موازی چندین ساختار عصبی 3D با برنامه های تغذیه استاندارد شده است.این اتوماسیون انسان را کاهش می دهد و از طریق تولید مواد مخدر بزرگ امکان پذیر.

پیشرفته Scaffold Materials و Bioinks

داربست الگوی فیزیکی برای تشکیل شبکه عصبی را فراهم می کند.پیشرفت های اخیر شامل ⁇ های رسانا، ECM مغز سلولیزه شده و نانو فیبرهای پپتیدی خود را که تقلید از طاقچه بومی است، برای پرینت بیولوژیکی 3D (Facting)، بیوتوکسین های جدید فرموله شده با laminin، اسید هیالورونیک، و پلیمر های رسانا (eg.g، محیط زیست، alOT0) و پشتیبانی از سلول های زیستی (FTPs) می توانند این مواد افزودنی های کاربردی را به عنوان نمونه های کوچک و مواد کاربردی تشکیل دهند.

نظارت بر زمان واقعی و کنترل بازخورد

برای حفظ شرایط مطلوب، سنسورها برای pH، اکسیژن حل شده، دما و متابولت[۳] غلظت های متابولت در حال حاضر به طور مستقیم به اتاق های نوری بی پرده متصل می شوند. (به عنوان مثال، پردازنده های اکسیژن مبتنی بر فلورنس (FLT) اجازه می دهد تا انحراف های غیر تهاجمی، سیستم های پیشرفته تر شامل آرایه های میکروالکترونیک (MEAs) برای نظارت بر فعالیت الکتریکی در زمان واقعی بسته شده است.

طراحی های تخصصی Bioreactor برای مدل های مختلف عصبی

سازنده : Bodyoid Bioreactors

ارگانهای سربولی مشتق شده از سلولهای بنیادی انسان (pluripotent) وعده های عظیمی برای مدل سازی بیماری دارند، اما توسعه آنها اغلب از هیپوکسی و محدودیت های اندازه ناشی از حمل و نقل توده ای ضعیف رنج می برد. اسپینر کک و چرخانۀ دیوار چرخانۀ اول (LTLT3) سازگار شده است تا ارگانوئیدهای معلق در رسانه، افزایش اکسیژن و تبادل مواد مغذی را به تازگی افزایش دهند.

نسل جدید Bioreactors

برای برنامه های کاربردی در ترمیم آسیب های عصبی محیطی، زیست شناسان که ترکیب هدایت توپوگرافیک (به عنوان مثال، نانو فیبرهای تراز) با گرادیان فاکتور رشد توسعه یافته اند، این سیستم ها سلولهای شوان و نورون ها را به روشی که رشد آرگونیک را ترویج می دهد، پرورش می دهند.یک طراحی اخیر از دانشگاه پنسیلوانیا شامل یک ماژول تزریق است که عوامل عصبی را در نتیجه قوی (FhenLT:) برای ساخت بافت مناسب است.

چالش های اتخاذ و مقیاس

علی رغم این پیشرفت ها، چندین مانع قبل از اینکه بیوکنکنش های عصبی به طور معمول در آزمایشگاه های تحقیقاتی و تنظیمات بالینی تبدیل شوند، باقی می مانند.

پیچیدگی و هزینه

بیکاران با کیفیت بالا با سنسورهای یکپارچه، پمپ ها و کنترل بازخورد گران هستند، محدود کردن دسترسی به گروه های دانشگاهی با بودجه های متوسط. Simplified، طرح های ماژولار که می تواند از اجزای خارج از آن جمع آوری شود، اغلب سیستم های بی نظیر را بررسی می کنند، مانند کسانی که در : سخت افزار [F1، ارائه سیستم های جایگزین مقرون به صرفه، اما اغلب فاقد سیستم های قابل اطمینان تجاری هستند.

قابلیت های طولانی مدت و ثبات

حفظ شبکه های عصبی عملکردی برای ماه ها – برای مطالعه بیماری های عصبی مزمن یا پیری – در طول زمان به چالش کشیدن است، فرهنگ ها اغلب زخم های گلیال، حرکت فعالیت شبکه یا از دست دادن تنوع سلولی را تجربه می کنند، محققان در حال توسعه استراتژی های فرهنگ مشترک (نوون + آستروسیت ها + میکروگلیا) و ترکیب و ترکیب وازیکاسیون برای تقلید بهتر از محیط بومی Perfos، اما پیچیده عصبی تعبیه شده است.

تکرار تنوع سلولی

مغز انسان شامل صدها زیرنوع سلولی است. پروتکل های زیست فعال فعلی به طور معمول مدل های غنی شده در نورون های تحریک کننده تولید می کنند.تلاش برای تولید محرک های مهار کننده، oligodendrocytes، و microglia در نسبت های تعریف شده در حال انجام است.پیشرفت در سلول های تک و تفکیک کارگردانی ترکیب با زیست فعال برای دستیابی به فرهنگ بیشتر.

مسیر های آینده و تکنولوژی های نوظهور

ادغام Multi-Omics و Real-Time Analytics

نسل بعدی از بیکنش ها احتمالاً شامل کاوشگرهای میکرودیالیزوز یا طیف گسترده ای در خط است تا نمونه ای از محیط فرهنگ برای متابولیت ها، انتقال دهنده های عصبی و عوامل مخفی را ارائه دهد.این داده مولکولی زمان واقعی همراه با ضبط های الکتریکی، یک دیدگاه جامع از عملکرد شبکه و الگوریتم های هوش مصنوعی می تواند برنامه های تغذیه مطلوب یا پروتکل های تحریک را پیش بینی کند.

به سوی مدل های عصبی شخصی

سلول های بنیادی ناشی از بیمار (iPSCs) در حال حاضر برای ایجاد مدل های عصبی خاص بیماری استفاده می شوند.بی.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.

ترجمه بالینی و مسیرهای تنظیم کننده

برای برنامه های کاربردی مانند بافت های عصبی پیوند خورده، بیوکنکتورها باید برای پاسخگویی به استانداردهای تولید خوب (GMP) طراحی شوند، این شامل استفاده از سیستم های بسته، سیستم های استریل با سنسورهای معتبر و داده های وارد شده است.

نتیجه گیری

پیشرفت در طراحی بیوتکنولوژی اساسا در حال تغییر است که چگونه ما رشد و مطالعه شبکه های عصبی در آزمایشگاه.از دستگاه های میکروفلوئیدیک که کنترل فضایی عالی برای سیستم عامل های خودکار فراهم می کنند که اطمینان از تکثیر، این سیستم ها قادر به پیشرفت در علوم اعصاب پایه و راه برای درمان های جدید هستند، در حالی که باقی مانده - به ویژه در دستیابی به ثبات طولانی مدت و تنوع سلولی - سرعت نوآوری است که به طور کامل ابزار شناسایی دارو، و بازسازی بافت های ژنتیکی، در نهایت، و بازسازی بیماری های ژنتیکی، در نهایت، در نهایت، در حال ظهور است.