נזק קרטליג מפציעה או אוסטאוארטיס משפיע על מיליוני אנשים ברחבי העולם, אך חידוש יעיל נשאר אתגר קליני רב-משמעי.מבוגרים לקויות יכולת ריפוי פנימית, וטיפולים נוכחיים - כגון microfracture או chondrocyte חנקן אוטומטי של טיפולים בו-זמנית - לעתים קרובות לייצר פיברטרולאז' עם תכונות מכניות גבוהות של בדיקות בקרה יש פוטנציאל להאיץ את הגילוי של מצבים אופטימליים עבור טיפול מיקרוסקופי, במיוחד, כגון תאים מיקרוסקופיים רגישים, במיוחד, כגון שבבים מיקרוסקופיים, כגון תאים מכניים, במיוחד.

הבנת שבבים מיקרופלודיים: עיצוב וציור

שבבים מיקרו-השפעהיים, הידועים גם כמכשירים מעבדה-על-עצ'יפ, מורכבים מרשתות של ערוצים עם ממדים החל מעשרות עד מאות מיקרומטרים.ערוצים אלה מופרשים בדרך כלל מפולידי מתילסקסולינה (PDMS), זכוכית, או תרמופלסטיקה באמצעות ליתוגרפיה רכות, גלימות חמות או זריקת שיער.

שבב טיפוסי מיקרו-השפעה מכיל ערוצי מקבילה מרובים או תאים שבהם תאים -chondrocytes, תאי גזע mesenchymal (MSCs), או תאי גזע בשפע (iPSCs) - הם מושרשים ב- hydrogel או saffold. Perfusion מספקים חומרים מזינים וצמיחה תוך הסרת פסולת, מחקה את זרימת הדם הבין-תחומית המתרחשת ב-Silativesual-pente-Sol-Tericials-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

חומרים וזמינות

PDMS נשאר החומר הנפוץ ביותר בשל שקיפות אופטית, עמידות גז, וקלות של prototyping. עם זאת, PDMS יכול לספוג מולקולות הידרופוביות קטנות ועשויה ללעוס ללא כל קשר oligomers, אשר יכול לבלבל תוצאות בדיקת סמים.comn טיפול זה על ידי יישום ציפויים משטח כגון parylene או שימוש בחומרים חלופיים כגון cyclicole cosocial cosocoral cosocorcadulative cop (D) או שבב (Ricicicicicicicicicicicicicicial cell) או CDA) או שבב (Ricial cell (מתאים phenicial cell (מתאים phenicial caric) או שבב) או שבב (מסוג) או שבב (מתאים דבק (מתאים phenicial carrtrartrartrartraage choic) או שבב (מתאים (מתאים phenicial) עם שבב (מסוג השבבים) או שבב) או שבב (מתאים phenicial caricial cartraid) או שבב (מסוג phenicial caricial cartraidicial cartraidicial

היתרונות העיקריים של צ'יפס מיקרופלודי עבור מחקר קרטליג

תרגום של טכנולוגיה מיקרו-השפעהינית להתחדשות של טרחוס מציע מספר יתרונות נפרדים על שיטות תרבות מסורתיות:

צילום: High-Comput Parallel Screening

ניסויים קונבנציונליים בודקים מצב אחד היטב צלחת 96-well, הדורשים מספר גדול של תאים ו reagents. שבבים מיקרופלודי יכול לשלב עשרות או אפילו מאות תאים על מכשיר יחיד, כל אחד חשוף לשילוב ייחודי של גורמים. לדוגמה, שבב גנרטור ⁇ יכול ליצור ספקטרום מתמשך של ריכוזי צמיחה, המאפשר לחוקרים לזהות את המינון האופטימלי עבור chonazesis בניסויים דרך אחת, חומרים מתמטיים, ואפקטים של תרופות ביולוגיות, מאיץ.

המונחים: mit eagent Conduction

ערוצים מיקרו-השפעה מחזיקים בנפח תת-מיקרוליטר, הפחתת כמות גורמי צמיחה יקרים, ציטוקינים או תרכובות תרופות הדרושים.זה חשוב במיוחד למחקרי טרחוס שבו גורמים כגון חלבונים מורגנטיים העצם (BMPs) והופכים את גורם הצמיחה (TGF-β) הם גם שימוש רטי נמוך יותר.

המונחים: Spatiotemporal control

הסביבה המיקרו בקנה מידה מאפשר שליטה על רמזים כימיים וגופניים. חוקרים יכולים להקים ⁇ חמצן כדי מודל התנאים היפותקסיים של cartilage articular, ליישם דחיסה או לחץ Shear באמצעות מעשים משולבים, ולספק גורמי צמיחה בתבניות pulsatile או מתמשך.שליטה כזו היא בלתי אפשרית בלוחות סטטיים היא קריטית לשיפוץ המיקרו-סביבהמורכב של cartilage.

3D Culture ו-Tissue Organization

תאים קרטליג מתנהגים יותר מבחינה פיזיולוגית כאשר הם מתאמצים בשלושה ממדים ולא כ-מונו-שכבות. שבבים מיקרופלודיים תומכים בקלות בתרבות תלת-ממדית על ידי שילוב הידרוגלים (למשל, agarose, alginate, collagen) או decellized Zone ממטריקס אזור מבוזר (ECM) בתוך הערוצים.

מעקב בזמן אמת ואינטגרציה

שקיפות אופטית מאפשרת מיקרוסקופיות של זמן לעקוב אחר מורפולוגיה תאים, התפשטות ונדידת.כאשר בשילוב עם חיישנים פלואורסנט או משואות מולקולריות, השבבים יכולים לדווח על ביטוי גנים או סודיות חלבון בזמן אמת. אלקטרודות משולבות יכולות למדוד תנופה חשמלית או pH תאי נוסף, מתן קריאה לא הרסנית של בריאות התא.

יישומים ב-Cartilage Regeneration Research

שבבים מיקרו-השפעה כבר הוצבו על פני ספקטרום רחב של מחקרים, מביולוגיה בסיסית ועד בדיקות סמים פרה-קליניות.התתת החלקים הבאים מדגישים את האזורים המשפיעים ביותר.

גורמי צמיחה ו Cytokines

ההשוואה של MSCs לתוך chondrocytes ותחזוקה של chondrocyte phenotype תלויה איזון עדין של מולקולות איתות. ⁇ מיקרו-דיליים יכול לחשוף תאים לעשרות שילובים של TGFosa-β3, BMP-2, BMP-7, גורם צמיחה דמוי אינסולין-1 (IG-1), גורם צמיחה 2 המיוצר (FG2G) ו-HMACD) הוכיח שבב רגיל של 2D.

בדיקה מכנית Stimuli

טעינה מכנית חיונית עבור cartilage homeostasis. שבבים מיקרופלודי מצויד עם שסתום diaphragm או חרוזים מגנטיים יכול ליישם דחיסה מחזורית, Shear, או לחץ הידרוסטטי לתאים משובצים. החוקרים השתמשו במכשירים אלה כדי להראות כי דחיסה דינמי ב 1 הרץ ו -10% upregregregulates סוג של גירוי מסוג II תוך דיכוי סוג Iggnagen סוג I (סימן של 2 של 2 CMeric) בשילוב עם 2.

סמים ומסך עגול

שבבים מיקרו-השפעה מאפשרים הקרנה מהירה של ספריות קטנות-מולקוליות עבור פעילות chondroprotective או chondroinductive.התצרכים הקטנים להפחית את הצריכה התרכובת, ומאפשרים בדיקות של מועמדים נדירים או יקרים.לדוגמה, שבב שנועד לבדוק 64 תרכובות נגד דלקתיות על חומרים מיקרו-דלקתיים תואמים של β-stimulated chondrocytes זיהו שלושה מועמדים מבטיחים כי הם פחות או תרופות נוגדות מתכת (מפרקטיות) כמו אפקט microtoCM) באופן דומה, כמו אפקט microtoCMicolexic אפקטים ⁇ (אפקטים).

הערכה של biomaterials ו Scaffolds

בחירת הספידר הנכון הוא קריטי עבור הנדסת רקמות פחמימות. שבבים מיקרופלודיים יכול בית טיפות הידרוג'ל או microspheres המכיל ניסוחים פולימרים שונים (למשל, ג'לטין methacryloyl, חומצה היאלורונית, הידרותילן גליקול) ושינויים בגני אחסון בין- 2 ימים, 000 ליטרים מאוגדים, עם ירידה של מחזוריים, 000 ליטרים, 000 של תאים בודדים, או חשוף, 000 ליטרים, 000 של מחזוריים, 000 ליטרים, 000 של מחזוריים, 000 ליטרים, 000 של מחזוריים, 000 ליטרים, 000 של סגסוגת של סגסוגת של סגסוגת אחד, 000 סגסוגת של סגסוגת אחד, 000 סגסוגת אחד, 000 סגסוגת אחד, 000 סגסוגת כהה.

מודלים של Co-Culture ו- Paracrine Signaling

חידוש קרטליג לעתים קרובות יתרונות מן תרבות משותפת עם תאים סינברליים, אוסטאובסטוסטים, או תאים חיסוניים. שבבים מיקרופלודיים יכולים להתאים סוגים שונים תאים נפרדים המחוברים על ידי microchannels, המאפשר אותות פרקרין תוך מניעת מגע תאים ישיר. עיצוב זה מעכב את האופן שבו fibroalblasts סינרטוטמי מקדם chondrocyte resoation באמצעות tos כמו בדיקות Mactinsis כגון Mramsis.

רפואה אישית וסקר סקרים הקשורים למטופל

עם עליית תאי גזע pluripotent המושרה (iPSCs) ו-chondrocytes, שבבים מיקרו-השפעה מציעים פלטפורמה עבור בדיקות מותאמות אישית.תאים של המטופל יכולים להיות מתורבת שבב וחשוף לפאנל של תרופות או תנאי צמיחה כדי לקבוע את האסטרטגיה רגנרטיבית היעילה ביותר.

טכנולוגיות חדשניות Enhancing Microfluidic Cartilage Research

הכוח של שבבים מיקרו-פלודיים הוא מוגבר בשילוב עם טכניקות חדשניות אחרות.

3D Bioprinting

ביו הדפסה יכולה לגוון מבנים מורכבים, ספציפיים לחולה כי הם משולבים שבבים מיקרו-השפעהיים עבור תרבות דינמי.לדוגמה, פיגוולד המכיל התפלגות תאים zonal ניתן להציב בתוך שבב היתוך המספק חומרים מזינים באמצעות ערוצים מחקים את ממשק העצם subchondral. גישה היברידית זו מאפשרת תרבות ארוכת טווח של בנייה גדולה ומספקת פלטפורמה לאסטרטגיות של השתלת כירורגית.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות

ניסויים מיקרו-השפעה גבוהה לייצר נתונים עצומים - תמונות, פרופילי ביטוי גנים, מדידות מכניות. אלגוריתמי למידת מכונות יכול לייש נתונים אלה כדי לזהות דפוסים וחיזוי תנאים אופטימליים. רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) הוכשרו כדי לרשום באופן אוטומטי chondrocyte מורולוגיה ו- ECM כיסוי מתמונות של לקות זמן מיקרו-אפקטיבי. Reinforcement Learnings יכול אפילו לשלוט ב-Spation של שבבים בזמן אמת כדי למקסם את האופטימיזציה בזמן אמת, כדי למקסם את האופטימיזציה מערכת ההפעלה.

זמן אמיתי וביוסנסורים

ההתקדמות באינטגרציה ביוסנסורית מאפשרת קריאה מתמשכת של סמנים ביולוגיים מרכזיים. שבבים מיקרופלודיים עם חיישנים אלקטרוכימיים משובצים יכול לזהות לקטט, גלוקוז, ושיעור צריכת חמצן, מתן פרופיל מטבולי של chondrocytes. Surface-enhanced Ramanפיזור (SERS) יכול לפקח על מחסנים aggrecan בזמן אמת בשילוב עם מיקרו-קופצ'ים, לתת כלים דינמיים של , 000.

תוצאות חיפוש ו-Commoning

כדי להמחיש את ההשפעה של שבבים מיקרו-השפעה, שני מחקרים מייצגים מודגשים.

דוגמה 1: זיהוי של TGF-β3 ו BMP-2 Ratio עבור MSC Chondrogenesis

החוקרים במעבדה להנדסה ביו-רפואית מובילה עיצבו גנרטור מיקרו-השפעהי שחשף את MSCs ל-64 שילובים שונים של TGF-β3 (0–50 ng/mL) ו- BMP-2 (0–100 ng/mL) ב- 3D AGid לאחר 21 ימים של היתוך L, הם אמרו תוכן sGAG, סוג משותף 2, ו- 2G2, 000 של תאים של CGD2, לעומת 1D2, לאחר 2, 000 1D2, 000 1D2, 000 היה רק 1D2, 000 1D2, 000 1D2, לאחר 21.

דוגמה 2: High- Throughput Anti-Inflammatory Drug Screen on Osteoarthritic Chondrocytes

במחקר נפרד, צ'ונדרוציטים ראשוניים מחולים עם אוסטיאוארטיס של שלב קצה היו מושרשים שבב מיקרו-השפעה עם 96 תאים.כל תא קיבל ריכוז שונה של אחד משמונה תרכובות אנטי דלקתיות (צ'קוקסיב, קלימאק, prednisolone, וכו ') בשילוב עם IL-1.לאחר שעות, חי / חי / de / משקעים של סימטריהתיקים (LMP) עם קיבולת נמוכה של NMPLUSD) עם , 000 (D) עם , 000) עם , 000 זה לא זו לא זו הייתה מזוהה עם קיבולת NMPD) עם ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (D) עם ⁇ ⁇ נמוך על ידי NMPD) עם ⁇ (D) עם ⁇ ⁇ נמוך על ידי NMPD) עם ⁇ ⁇ (D) עם ⁇ נמוך על ידי NMPD) עם ⁇ NMPD) עם ⁇ NMPD) עם ⁇ NMPDUSDUSD2, 000 ⁇ ללא ⁇ NMPLUSD) עם ⁇ NCRD) עם ⁇ NMPDUSD2, 000 זה היה נמוך

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, שבבים מיקרו-השפעה מתמודדים עם כמה מכשולים לפני אימוץ נרחב במחקרי טרחוס.

  • (FLT:0) ייצור מורכב ותפעול:FLT:1 בעוד שבבי PDMS קלים יחסית לא-טיפוס, התאמה מחדש בין השבבים נותרה דאגה.
  • (FLT:0Cell אספקת ותחזוקה:FLT:1hav chondrocytes decompidate במהירות בתרבות. שבבים מיקרופלודיים חייבים לשלב גורמים כדי לשמור על פנוטיפ, כגון הידרוג ', חמצן נמוך וגירוי מכני. מקורות תאים Stem דורשים אימות של פרוטוקולים שונים.
  • ייצור:0 (Bubble Creation: FLT:1 בועות אוויר לכודים במיקרוסקופים יכול לשבש זרימה ולהרוג תאים. Degassing פרוטוקולים ומלכודות בועות להוסיף מורכבות להגדרה.
  • ניתוח נתונים:0 (איור 1) נפח הנתונים של שבבים בעלי תוכן גבוה יכול להציף ניתוח ידני.אוטומטי עיבוד תמונה צינורות למידה מכונה הם הכרחיים אך דורשים מומחיות מיוחדת.
  • (FLT:0) תרגום ל- vivo:FLT:1 תנאים המקדמים ייצור ממטריקס שבב עשויים לא לתרגם למפרק חי עם דלקת מערכתית וכוחות נושאי משקל.

פרספקטיבה עתידית

העשור הבא צפוי לראות שבבים מיקרו-השפעהיים הופכים לכלי סטנדרטי במחקרי פחמימות ופיתוח תרופות.

(FLT:0) אינטגרציה עם מערכות איבר-על-א-צ'יפ:Fillo:1 , שבבים רב-אורגניים המחברים בין טרחוס, עצם וסינוביום ימודלו את כל המשותף.מערכות אלה יכולות לבודד את התקדמות osteoarthritis ואת טיפולים מערכתיים בדיקה בסביבה אנושית ללא הקרבה בבעלי חיים.

(FLT:0)utomation and Tradingization: FIRLT:1 חברות כגון Emulate, Mimetas ו TisUse כבר מציעים פלטפורמות איברים מסחריים על שבבים ספציפיים עם גנרטורים ⁇ מוגדרים מראש ומבצעים מכניים יכולים להיות זמינים מסחרית, הורדת המחסום עבור כניסה.

תרגום אולפנים* (FLT:0) תרגומים לוגיים: 1 מיקרופלודיים ניתן להשתמש בהם כדי איכות שליטה chondrocyte שתלים או לתאי החולה של המסך עבור שילוב ה-growth הטוב ביותר לפני הניתוח. גישה אישית זו תשפר את התוצאות ולהפחית את שיעורי התיקון.

(FLT:0) קבלת אישור רישום: 1FLT (כשבבים מספקים נתונים רלוונטיים יותר מבחינה פיזיולוגית מאשר צלחות טובות, סוכנויות רגולטוריות כמו ה- FDA חוקרות את השימוש שלהם במתודולוגיות גישה חדשות (NAMs) כדי להפחית את בדיקות בעלי חיים. צ'יפס קרטלאז עשוי בסופו של דבר לתמוך ביישומים חדשים של תרופות אוסטאוסטראומטיות.

משאבים חיצוניים וקריאה נוספת

עבור הקוראים המעוניינים בפרטים טכניים עמוקים יותר, ההפניות הבאות מספקות סקירה מעולה ומחקר מקורי.

  1. (ב) באטיה, ס.נ.נ.נ.ד.א. (ב) .ה.מ.נ.א. .מ.ל. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  2. (ב) ,J., et al. (2015) .microfluidic Survey of hydrogel Properties for cartilage רק Engineering.FLT:0BiomaterialsFLT:1, 74, 2-12FLT:2 https:2https.org/10.1016/j.biomaterials.2015.
  3. לו, Z., et al. (2019) שבב מיקרו-השפעה עבור בדיקות תרופות משולבות עבור טיפול אוסטאוארטיסריטיס:0Lab על צ'יפראטים 1, 19(7), 1219-1228.FLT:2https: 2https.1039/CLC39012FLT 3: 3, 19(7), 1219-1228.
  4. (ב) מורה-בוזה, A., & García, A. J. (2020) פלטפורמות מיקרופלודיות עבור הנדסת רקמות טרחוס (FLT:0) מתקדמות חומרים רפואיים מתקדמים FLT:1, 9 (21018.FLT:2 https:2 ;Ddoi.org/10.1002/adhm.2018LTF3
  5. פארק, S. E., et al. (2021), Organ-on-a-chip עבור osteoarthritis: מודל של דלקת מפרקים משותפת ובדיקת סמים.FLT:0.0.0.10 חומרים פונקציונליים מתקדמים FLT:1, 31(45), 2104457.FLT:2 ,2 https.org/10.1002/adm.2057igrFLT3:

לסיכום, שבבים מיקרו-השפעה מציעים גישה טרנספורמטיבית להקרנה של תנאי התחדשות של פחמימות.היכולת שלהם לשלוט בדיוק המיקרו-סביבה התאית, למזער צריכת reagent, ולשלב מעקב בזמן אמת מתייחס למגבלות רבות של שיטות קונבנציונליות. על ידי השגת זיהוי של שילובים בסיסיים צמיחה, גירויים מכניים, תרופות, ו- biomaterials, מכשירים אלה הם מפוצצים למהירויות של טיפולים קליניים ותיקון יעיל של דלקת מפרקים אופטיקה.