ההשפעות של מערכות מיקרופלודיות על מודלים לפיתוח איברים

שם הספר: The New Frontier in Developmental Biology

המחקר של איך איברים צורה ותפקידו הסתמכות על מודלים פשוטים שלא מצליחים לתפוס את המורכבות המלאה של פיזיולוגיה אנושית. שתי-ממדית תרבויות תאים, תוך שימושיות, חוסר אדריכלות תלת-ממדית וזרימות נוזל דינמיות המאפיינת רקמות חיים.מודלים בעלי חיים, אם כי יותר שלמים, לעתים קרובות מניבים תוצאות שאינן מתרגמות ישירות לבני אדם במהלך העשור האחרון, מערכות מיקרו-השפעהיות הופיעו כמכשירים טרנספורמטיביים שמבדילים את הפערים את הכימיקלים הללו.

פלטפורמות מיקרו-השפעה, הנקראות לעתים קרובות מערכות איברים-על-אפ, משלבות עקרונות הנדסיים עם ביולוגיה.הם מאפשרים למדענים להתבונן בהתנהגויות תאיות בסביבות המחקות זרימת דם, ⁇ חומרים מזינים, וכוחות מכניים.טכנולוגיה זו אינה רק זיכוך של שיטות קיימות; היא מייצגת שינוי יסודי כיצד אנו ניגשים למודל של התפתחות, מחלה ותגובה לסמים.

הבנת מערכות מיקרו-השפעה: הטכנולוגיה של הליבה

בפשוטו ביותר, מכשיר מיקרו-השפעה מורכב מרשת של ערוצים המוסכמים אל תוך תת-קרקעית זכוכית, סיליקון, או פולימר כמו פולידי מתילסקסוסין (PDMS) לערוצים אלה יש ממדים החל מעשרות עד מאות מיקרומטרים. פלואידים מונעים דרכם על ידי משאבות חיצוניות, כבידה או פעולה כבירה, המאפשרים שליטה מדויקת על פני רמות זרימה, ערבוב, וספקית של יכולת ריכוז חיוני כדי ליצור את ה-ה.

מספר עקרונות עיצוב למשול במערכות מיקרו-השפעה מודרניות.קודם, זרימת לליטר שולטת בקנה מידה אלה, כלומר נוזלים נעים בשכבות במקביל ללא ערבוב טורחות.זה מאפשר יצירת ⁇ כימי יציב - קריטי למחקרים של מורפגניקאות, שבו אותות מרחביים נעים תאים שונים, שילוב של ⁇ או חומרים פיגומים יכולים לדמות את הסימפטומים החמצן סטטיים, אך ורק כדי ליצור חיישנים מכניים או כימיקליים, כגון מטבוליזם, כגון תכונות מכניות, כגון כימיקליות.

שילובים מרכזיים של מודל איברים מיקרו-השפעהי

• (ב) ,0) מ"מ-ב"מ: "ההגנה על הגיאומטריה ודרכי זרימה נוזליים, חיקוי של כרובות או כלי שיט גדולים יותר.
• (ב) ,0) תאים תרבותיים של תרבות קלל: FLT:1 , ראה עם סוגים ספציפיים של תאים - לדוגמה, hepatocytes עבור מודלים לכבד או קרדיוציטים עבור רקמות לב.
• (ב) אספקת חומרים מזינים:0) אספקת חומרים מזינים, הסר פסולת, וליישם לחץ דומה לזרימת הדם.
• (ב) ⁇ :0) אלמנטים רגישים: 1FLT 1:1 חיישנים אופטיים או אלקטרוכימיים שעוקבים אחר תגובות סלולריות מבלי להפריע לתרבות.
• (FLT:0) מחסומי מלברה: FLT:1, סרטים פוריים נפרדים תאים תוך מתן חילופי מולקולריים, מודלים ממשקי רקמות כמו מחסום הדם-מוח.

רכיבים אלה יכולים להיות מסודרים בתצורה שונים, ממכשירים בודדים לפלטפורמות מרובות-אורגניות המקשרות רקמות שונות.הטבע המודולרי של מיקרו-fluidics הופך אותו להיקף - תכונה שמניעה אימוץ מהיר במעבדות אקדמיות ותעשייתיות.

כיצד Microfluidics Overcomes Limitations של מודלים מסורתיים של איברים

תרבות התא המסורתית מסתמכת על מנות שטוחות או על צלחות שבהן התאים מרוחים במדיום סטטי.בעוד שפשוט וזול, המתקנים האלה אינם מצליחים לשחזר את הארגון התלת מימדי, אינטראקציות תאיות, וכוחות מכניים הנמצאים באיברים חיים.מודלים בעלי חיים, כגון עכברים או דג זברה, לספק הקשר מערכתי אך הם יקרים, מעורפלים, ולעתים קרובות שונים מדרכי פיזיולוגיה אנושית שאותן הן תוצאות מיקרו-אפקטיביות.

שיפור פיזיולוגי

אחת התרומות המשמעותיות ביותר של מיקרו-השפעהידיקים היא היכולת לשחזר את המיקרו-סביבה הדינמית של איברים מתפתחים.לדוגמה, הכבד המתפתח נחשף ל ⁇ של חומרים מזינים וחמצן מהטרל הנכנס.מודלים הכבד המיקרו-קלידיים לשחזר את ה ⁇ הזה על ידי שליטה בזרימת כליות נפרדות, אחד המייצג את הפורטל והחומרים הפטריקפיים האחרים של תאים מטבוליים, בהשוואה לתפקודים המטבוליים של אנזים, אשר מוכרים באופן דומה, אשר משלבים של תאים מטבוליים, אשר הם אלה, כמו גם הם מטבוליים, אשר הם אלה, כמו גם כן, כמו גם הם מטבוליים, אשר מייצגים את המשתנים, כמו גם את המשתנים, כמו גם את המשתנים, כמו גם את המשתנים, כלומר, כמו גם את המשתנים, כלומר, כמו גם את ה-דלקתיים של תאים מטבוליים של תאים מטבוליים של תאים מטבוליים של תאים מטבוליים, אשר מייצגים את ה-דלקתיים של תאים מטבוליים של חומר מטבוליים של תאים מטבוליים, כמו גם מטבוליים, אשר מייצגים את המשתנים, אשר מייצגים את ה-מטבוליים של תאים מטבוליים של תאים מטבוליים, אשר הם, אשר מייצגים

עלויות מופחתות ומהירות יותר

מכשירים מיקרו-השפעה צורכים כמויות זעירות של רטינים - לעתים קרובות ננוליטים למיקרוליטים.זה מקטין את העלות של גורמי צמיחה יקרים, נוגדנים ותרכובות בדיקה.בנוסף, היחס הגבוה של פני השטח-קרקע-לנפח מאיץ העברת המונים, ומאפשר ניסויים להסתיים בשעות במקום ימים.פלטפורמות אוטומטיות יכולות להפעיל עשרות מכשירים במקביל, להגדיל את פני השטח ללא עלייה משמעותית בעבודה או בחומרים.

רפואה אישית על צ'יפ

תאים בעלי יכולת גבוהה של מטופלים, כגון תאי גזע בשפע (iPSCs), יכולים להיות משולבים למכשירים מיקרו-השפעהיים כדי ליצור מודלים בודדים של איברים.כבד של המטופל על שבב יכול לחזות כיצד הם יטבוליט תרופה, בעוד שבב לב-על-עצמי יכול להעריך סיכונים קרדיו רעילים לפני ניהול קליני.

יישומים בפיתוח ומודלים למחלות

מערכות מיקרו-השפעה אינן מוגבלות לבדיקת סמים; הן כלים עוצמתיים ללימוד תהליכים התפתחותיים בסיסיים.השליטה המדויקת על דיפוזיה ⁇ s מאפשרת לחוקרים לשחזר את הדפוסים המורמונים שמניעים עוברים גנזה. לדוגמה, מכשיר מיקרו-פלודיקלי יכול ליצור ⁇ של חלבון ה-Ni Sonic Hedgehog, מה שמנחה את הגוון של תאי ה- progenitor העצביים לנוירונים שונים של תאי עצב טבוריים.

אורגן ב- Chip

החוקרים השתמשו מיקרו-קלודיקים כדי לעצב את היווצרות מוקדם של איברים כגון הריאות, הבטן והכליות. על ידי co-culturing אפיתליאל ומסמינמי בתא מיקרו-השפעה, הם יכולים לצפות כיצד מורפגניות סניף מתרחשת - כיצד צינור פשוט מתפתח לרשת הסקטורת של alveoli או Renal tubules.

מחלות דוגמנות וגילויי סמים

מודלים מיקרו-השפעה ספציפיים של המחלה פותחו לסרטן, fibrosis, מחלות זיהומיות והפרעות גנטיות.לדוגמה, ריבוי משימות ריאות על-a-chip יכול מודל התגובה דלקתית לזיהום חיידקי, מראה כיצד תאים חסינים נודדים על פני ממשק alveolar-capillary. חברות תרופות עכשיו להשתמש באופן שגרתי שבבים כאלה למועמדים לסמים, זיהוי כי מחסום מודול או תפקוד cerine, החל לקבל בדיקות נתונים פוטנציאליות, כולל תרופות מרשם.

תוצאות חיפוש: Blood-Brain Barrier Models

מחסום הדם-מוחין (BBB) הוא קשה לשמצה למודל משום שהוא כרוך בצומת הדוק בין תאים endothelial, pericytes, ו אסטרוציטים, כולם אינטראקציה בתנאי זרימה מסורתיים, כפי שאומר חוסר הלחץ העצום של חצי הכדורי הדרושים ואינטראקציות תאי גזע. microfluidic BBB כבר הונדס עם ערוצים מקבילים על ידי קרום ⁇ me.

סינרגיות עם Stem Cell Technology ו 3D Bioprinting

הפוטנציאל המלא של מודלים של איברים מיקרו-השפעהיים הוא הבין בשילוב עם טכניקות מתקדמות אחרות.IPSCs יכול להיות שונה לתוך כל סוג תא, וכאשר ממוקמים בסביבה מיקרו-השפעה, הם לעתים קרובות מציגים יותר פנוטיפים בוגרים מאשר בתרבויות סטטיות. לדוגמה, iPSC-derive hepatocytes התרבותיd שבב כבד מיקרו-השפעהיקאי להראות גבוה יותר phenotypes מאשר בתרבויות סטטיות, למשל, מרחיב את החיים שלהם פונקציונליים יותר.

ביו הדפסה תלת-ממדית מציעה נקודה נוספת של אינטגרציה. Bioprinters יכול להפקיד תאים הידרוגלים בדפוסים מדויקים, יצירת אדריכלות מאקרוסקופית של איבר - כגון רשת הענפים של עץ פולשני.מיקרוידיקים אז מספק את האמצעים כדי perfuse אלה מבנים, הבטחת אספקת חומרים מזינים לאורך הרקמות העבות.זה הוא רודף כדי לבנות כבד פולשני ורקמות מתאימים לרקמות שלמות.

(ב) לצליל עמוק יותר כיצד תאי גזע מעוצבים על ידי המיקרו-סביבה שלהם, ה- (FLT:0NIH דנים במערכות מיקרו-פיזיולוגיות של גלקסיות מיקרו-פיזיות (FLT) ותפקידם במחקר תאי גזע.בנוסף, נקודת מבט טבע:2 Biotechnology Perspective onאיברים-on-chipsFLT 3: 3FLT מספקת סקירה מקיפה של התחום.

אתגרים ומגבלות

למרות ההתקדמות המדהימה, מודלים של איברים מיקרו-השפעהיים עומדים בפני כמה מהתקנים של ערוץ אחד במערכות מרובות-אורגניות, אשר לשמור על תרבות קו-תרבות יציבה במשך שבועות או חודשים, תובעים מבחינה טכנית לשמור על תנאים סטריליים, שליטה על evaporation, ולמנוע היווצרות בועות הם נושאים קבועים.

אתגר נוסף הוא הדלנות הביולוגית של המודלים הנוכחיים.בעוד שהם מפורשים תרבויות סטטיות, שבבים מיקרופלודיים עדיין חסרים את המורכבות המלאה של איבר חי, כולל מעקב חיסוני, פנימי, והאינטראקציות האנדוקריניות עם רקמות מרוחקות.תוך כל האלמנטים האלה לתוך פלטפורמה יחידה - הנקראת לעתים קרובות "גוף-על-אצ'יפ" - הוא תחום פעיל של מחקר, אך השגת בעיה ביולוגית חזקה, עדיין בלתי-סבירה.

לבסוף, עלות ונגישות נותרו חסמי אימוץ נרחב.מכשירים מיקרו-השפעהיים של המכס דורשים ציוד מיוחד ומומחיות כדי לייצר פלטפורמות מסחריות.הפלטפורמות המסחריות הופיעו, אך הן עדיין יקרות למעבדות קטנות יותר. Standardization ולממשקים ידידותיים למשתמש יהיו חיוניים להפצת רחבה יותר.

כיוונים עתידיים

העשור הבא צפוי לראות מודלים של איברים מיקרו-השפעהיים הופכים ליותר משולבים, אוטומטיים ומסוגלים.התקדמות בטכנולוגיית חיישן תאפשר ניטור רציף של metabolites, גורמים סודיים ופעילות חשמלית, מתן זרמי נתונים עשירים למודלים חישוביים.אלגוריתמים למידת מכונות המאוכשרים על נתונים אלה יכולים לחזות כיצד איבר - או אורגניזם שלם - מגיב להפרעות, פיתוח תרופות מאיץ.

כיוון מבטיח אחר הוא יצירתם של "אורגנואידים על שבב" (Oroids) הם מצטברים תאי תאים תלת-ממדיים שמקורם בתאי גזע אשר מאורגנים בעצמם למבנים דומים לאיברים מיניאטורה.עם זאת, איברים חסרי vascularization ולעתים קרובות מפתחים ליבות ערפיליות.

מטרת הבנייה של איברים פונקציונליים לחלוטין, השתלות באמצעות עקרונות מיקרו-השפעה נותרת שאיפה, אך התקדמות מצטברת נעשית.ביונגינרים כבר יצרו מספרד תאים מאיברים פגומים ו recellized אותם באמצעות היתוך מיקרו-אפקטדימי לתאים זרע אפילו לאורך הרקמה.טכניקה זו יצרה זעזועים של ריאות ושל לב כי כבר השתלומים כבר במודלים קצרים של תפקודם, הדורשים חיסוניים לטווח הארוך, ואפקטיביים.

תפקידה של השקעות ציבוריות ופרטיות

מימון סוכנויות כגון המכון הלאומי לבריאות (NIH) והנציבות האירופית השיקה תוכניות ייעודיות לקידום מיקרו-השפעה במחקר ביו-רפואי.תוכנית צ'יפ של NIH מממנת עשרות פרויקטים מאז 2012, מאיצה את הפיתוח של כבד, לב, ריאות, כליות, וצ'יפס של משקיעים פרטיים וחברות תרופות ביצעו גם משאבים משמעותיים, והכרה כי כלים אלה יכולים להפחית את העלות של תרופות מוערך ב -20 מיליון דולר להגדלת שיעור ה- 30 מיליון דולר במדד ה-CDC היה גבוה יותר מ .

לקריאה נוספת על ההשפעה הכלכלית, דוח שוק המחקר של Grand View על מערכות אורגן על שבבים 1FLT מספק תחזיות מפורטות וניתוחים תחרותיים.

מסקנה

מערכות מיקרו-השפעהיות שינו באופן יסודי את הנוף של פיתוח האיברים.על ידי מתן שליטה מדויקת על זרימת הנוזל, כוחות מכניים ו ⁇ מולקולריים, מכשירים אלה משכפלים היבטים מרכזיים של הסביבה ב vivo אשר היו בעבר בלתי נגישים לחוקרים.הם אפשרו יצירת מודלים של איברים עם רלוונטיות פיזיולוגית גבוהה, צמצום ההסתמכות על בדיקות בעלי חיים, ופתחו דרכים לרפואה אישית.

אתגרים נשארים - במיוחד בסקאלה, חומרים, שלמות ביולוגית - אבל המסלול ברור.כמו פלטפורמות מיקרו-השפעה הופכות יותר סטנדרטיות וזמינות, הם יהפכו כלים הכרחיים לא רק בביולוגיה התפתחותית, אלא גם בבדיקות סמים פרה-קליניות, רעילות, ורפואה רגנרטיבית.הטכנולוגיה כבר אינה נישה; זוהי גישה מינסטרומית שמעצבת מחדש את האופן שבו אנו מבינים וחוקרים בתחום ההתפתחות של האיברנטיבית, הן טכנולוגיות אלה, הן טכנולוגיות מתפתחות, הן טכנולוגיות טכנולוגיות טכנולוגיות הן חיוניות של מומחים בתחום המתקדמים, הן טכנולוגיות.