עיצוב מערכות של אורגן על-ידי-א-צ'יפ לדגמן ולבדוק את האנסים

הבא Frontier ב- Biomedical Modeling

טכנולוגיית אורנג 'על-על-עצ'יפ (OOC) מייצגת את אחת ההתפתחויות הטרנספורמציות ביותר בהנדסת ביו-רפואית מודרנית.על ידי תיקון המיקרו-סביבה של האיברים האנושיים על פלטפורמה קטנה, מיקרו-השפעה, מכשירים אלה מציעים לחוקרים תובנה חסרת תקדים במנגנוני מחלה ותגובות טיפוליות.בניגוד לתרבויות תאים דו-ממדיות מסורתיות, אשר חסרות רלוונטיות פיזיולוגית, או מודלים של בעלי חיים, אשר לעתים קרובות אינם מצליחים לחזות תוצאות אנושיות, או ביולוגיה-גופית, בדיקה של מערכות של תפקוד גוף-גופית, ומערכת התפתחות-גופית, ומערכת של תאים-גופית-גופית, ובדיקה של ביולוגיה-גופית-גופית, ובדיקה של תאים-גופית, ומערכת טיפולית-עצמית, ובדיקה של ביולוגיה-גופית-עצמית, ובדיקה של ביולוגיה-גופית, ומערכת יעילה, ומערכת יעילה, אשר מאפשרת בדיקה של תאים-גופית של מערכת-גופית של תאים-גופית של מערכת-עצמית של מערכת-עצמית של ביולוגיה-עצמית של ביולוגיה-אית, אשר אינה מאפשרת בדיקה של ביולוגיה-עצמית, אשר אינה מאפשרת בדיקה של תאים-עצמית-עצמית

מה הם מערכות של אורגניזמים על-ידי-א-צ'יפ?

איבר-על---עצ'יפ הוא מכשיר תרבות תאים בקנה מידה זעיר הממחיש את היחידות התפקודיות המרכזיות של איבר אנושי.בדרך כלל מוטבע באמצעות טכניקות ליתוגרפיה רכות, השבבים האלה מכילים מיקרו-ערוצים המתואמים עם תאים אנושיים חיים אשר כל הזמן מבולבלים עם תרבות בינונית כדי לדמות זרימת דם.אדריכלות של השבב יכולה לשלב סוגים מרובים של תאים, רכיבי matrix סלולריים (EC) וכוחות מכניים כגון לחץ מעגלי או דינמי, שהיא מצאה לחץ מעגלי.

הרעיון יצא מן ההתכנסות של מיקרו-fluidics, הנדסת רקמות, וביולוגיה תאים. מכשירים מוקדמים התמקדו במודלים ריאות לכבד, אבל השדה התרחב במהירות לכלול לב, כליות, מעיים, מוח ואפילו פלטפורמות מרובות-אורגניות (גוף-על-עצ'יפ) הצעת הליבה היא פשוטה: אם אתה יכול לחקות את תפקודו של האיבר במנה, אתה יכול לחזות כיצד יגיב לרעלים גנטיים, או תרופות קונבנציונליות הרבה יותר מאשר שיטות קונבנציונאליות.

עקרונות עיצוב של אורגן-on-a-Chip Systems

בחירת תאים וסוורג

הבסיס של כל איבר על-a-chip הוא התאים עצמם.תאים אנושיים ראשוניים שמקורם ביופסיה או דגימות כירורגיות הם תקן הזהב כי הם שומרים phenotypes הילידים. עם זאת, תאים ראשוניים יש יכולת הפצה מוגבלת ויכולים להיות קשה להשיג. induced pluripotent תאי גזע (iPSCs) מציעים חלופה מדרגית: הם יכולים להיות נבדלים כמעט לכל סוג ואידיאל של תרופות לתפקודים של תאים אפילפטיים, אך לפעמים.

מיקרו-ארכיטקטורה ו- 3D Microenvironments

ארכיטקטורת רקמות Mimicking דורש יותר מאשר תאים מונוטרה.Or-on-a-chip עיצובים לעתים קרובות לשלב membranes ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , hydrogel scaffolds, או משטחים micropatterned כדי ליצור מבנים רב-שכבות. לדוגמה, a ריאות-on-a-chip משתמש קו membrane דק, מתוח עם תאים אפיתיים pulmonary על צד אחד ו-capic מאפשר תצורה של תאים אחרים של דלקת הדם.

מיקרודיקליקה ו-Perfusion

ערוצים מיקרו-השפעהיים (בדרך כלל 50-500 מיקרומטר ברוחב) מספקים היתוך מתמשך של חומרים מזינים, חמצן ובדיקת חומרים תוך הסרת פסולת מטבולית.שיעורי זרימת הדם ניתן לשלוט בדיוק כדי לחקות מתח פיזיולוגי (למשל, 0.5-20 דינמין / ס"מ עבור כלי דם) סביבה דינמית זו היא קריטית כי לעתים קרובות תנאי תרבות סטטית מובילים hypoxia, depletion תזונתי, ו-productypleypletion של תגובות דלקתיות, אשר לא-aric, אשר ממותרפיות, או חומרים מתקדמים עבור שבבים, או הפרעות, אשר משלבים מתקדמים.

מטבח מכני

איברים רבים חווים כוחות מכניים המשפיעים על התנהגות התא.המכשירים של הריאה-on-a-chip משלבים מנגנון מתיחה מחזורי (באמצעות ערוצי ואקום) כדי לדמות תנועות נשימה.התקני Heart-on-a-chip יכולים ליישם נפיחות חשמלית כדי לגרום לדפוסי התכווצות, בעוד מעיים-on-a-chip משתמשים בעיוותים peristaltic-like כדי לשפר את תפקודם ואינטראקציות מיקרוביאליאליאליאליות אלה הם לא אופציונליים.

חומרים ושיטות ייצור

החומר הנפוץ ביותר עבור ייצור איבר-על---a-chip הוא פולידי מתילקסאן (PDMS), חד-משמעי, גז-יכול, בלתי-אפשרי, Elastomer. PDMS יכול להיות מתבניות סיליקון כדי ליצור מיקרו-ערוצים מורכבים (אך, PDMS סופגת של מולקולות הידרופוביות קטנות יכול להחליק מחקרים פוליקוטיים, המוביל לקליטורים-פחמיים פחות (D) ו-דבנים פחות מאתגרים).

בד בדרך כלל כרוך photolithography כדי ליצור עובש מאסטר, ואחריו PDMS העתק עובש. יותר טכניקות מתקדמות כוללים דלקת לייזר, micromilling, ו bioprinting עבור שילוב תאים חיים ישירות לתוך השבב (איברים מוטבעים איברים על שבבים) בחירה של שיטת ייצור חומר וגליון משפיע על על על על על על על על על על על עלות השבבים, יכולת מדרגות, והתאמה עם מכשירים אנליטיים כמו מיקרוסקופית או מיקרוסקופית או מיקרוסקופית.

מחלה עם אורגן-on-a-Chip

מחלות דוגמנות באמצעות מערכות OOC כרוכות בהצגת גירויים פתולוגיים – כגון מוטציות גנטיות, ציטוקינים דלקתיים, פתוגנים או תרכובות רעילות – בסביבה השבבים והתבוננות בתגובות התא והרקמות וכתוצאה מכך. כי השבבים מחזרים פונקציות ברמת האיברים, הם יכולים לחשוף מנגנונים למחלה שהם בלתי נראים בתרבויות תאים פשוטות.

סרטן metastasis על צ'יפ

חוקרים פיתחו שבבים שמודלים את תהליך פלישת תאי הסרטן ומטאסטה. עיצוב טיפוסי כולל תא לתאי הגידול העיקריים, מיקרו-ערוצי המייצג כלי דם או לימפה, ותא איברים לא עוברי. על ידי קביעת מספר התאים נודדים, נשפים ומיישבים את האתר המשניים, מדענים יכולים לבדוק תרופות אנטי-מטות וללמוד את התפקיד של ⁇ chemokine, מודלים מחדש, אינטראקציות תאים חיסוניים ותאים.

מודלים למחלות ניווניות

מחסום דם-מוח (BBB) שבבים משלבים תאים של קצה המוח, pericytes, ו אסטרוציטים כדי ליצור מחסום פונקציונלי.כאשר נחשפים ל- amyloid-beta מצטברים מחולי אלצהיימר, השבבים האלה מפגינים הפרעות מחסום ודלקת עצבית, מתן פלטפורמה עבור תרופות סינון כי הגנה על BBB. בדומה, מוח-on-a-chip עם מודל cotraic יכול ל-apation.

מחלות זיהומיות ואינטראקציה עם Host-Pathogen

שבבי איברים כבר פרוסים כדי לחקור זיהומים כגון שפעת (lung-on-a-chip), פתוגנים נכנסים (gut-on-a-chip), ו- hepatitis B (liver-on-a-chip) (היכולת של השבב להציג תאים חיסוניים וזרימה מאפשר תגובות חיסוניות מציאותיות. במהלך מגפת COVID-19, השבבים שימשו להבנה של SARS-Co-2, אבחון ולטפל בחיסון נגד HIV.

דוגמאות למודלים של מחלות

מחלת לב

Heart-on-a-chip פלטפורמות להשתמש קרדיוציטים שמקורם ב- iPSCs, לעתים קרובות מהחולים עם צורות גנטיות של קרדיומיאופתיה מורחבת או תסמונת QT ארוכה. על ידי יישום של נפיחות חשמלית ומדידה כוח חוזה (באמצעות cantilevers, כוח מערכת הפעלה microscopy, או עכב), החוקרים יכולים לכמת תסמינים של היפנוזה ותרופה המושרה לשימוש.

מחלת ריאות

שבבים Lung הונדסו כדי מודל אסטמה על ידי חשיפת שכבת האפיתאלי אל allergens או interleukins, המוביל התכווצות אווירי כיווצה ערוץ deformation. pulmonary fibrosis מודלים משלב טיפול bleomycin, וכתוצאה מכך הצטברות של קולגן מופעל fibroblasts. פלטפורמות אלה הם ערך לבדיקת תרופות אנטי-fibrotic וטיפולים ממוקדים מעבר אפיתמי.

מחלת קטי

שבבי ספאם Proximal צ'קוזי קועם תאים אפיתליים יכולים מודל nephrotoxicity הנגרמת על ידי סמים כמו cisplatin או gentamicin. החוקרים מודדים סמנים של פציעה כגון KIM-1 ו neuטרופיל ג'לאטינסאז-קשור שפתונין (NGAL) במדיום הזרימה.

מחלה

שבבים Intestine משלבים תאים אפיתליאליים מעיים (Caco-2 או או או או איברים-derived) ותאים חיסוניים, נשמרים תחת זרימה peristaltic ומתח חמצן נמוך.מודלים של מחלת מעיים דלקתיים נוצרים על ידי הוספת lipopolysaccharide (LPS) או microbiota של העוברים ממטופלים.

בדיקות Therapies Using Organ-on-a-Chip

היישום המסחרי המשכנע ביותר של טכנולוגיית OOC הוא בפיתוח תרופות, שבו הוא מבטיח למועמדים בסיכון לפני ניסויים קליניים.זרימת עבודה טיפוסית מתחילה עם לראות את השבב עם תאים ממריצים (או תאים גנריים iPSC-derived), ולאחר מכן חשיפת המכשיר לתרכובת הבדיקה ב- ריכוז ⁇ y-שביעות רצון גבוהה, הדמיה אוטומטית, משולבת ו- bioensors אמיתיים, לכידת תפקוד, חסום, חסום, תפקוד חשמלי, חסומים, חסימת אבטחה, חסימת אבטחה, חסימת אבטחה, חסימתית, סודיות, סודיות, סודיות, סודיות גבוהה.

תרופות וסובלנות

שבבים רב-אורגניים (liver, כליות, לב וריאה) המחוברים באמצעות ערוצים מיקרו-השפעהיים מאפשרים לחוקרים ללמוד כיצד התרופה מטבולית בכבד, המורגשת על ידי הכליה, ומצטברת בלב - במערכת אחת.זה מספק מודל בעל חשיבות אנושית לחיזוי פגיעה הנגרמת על ידי כבד הנגרמת על ידי תרופות (DLI) ו קרדיוטוקרטיות, אשר מובילים של גורמים קליניים בדוגמה לשרירים.

Efficacy ו- Biomarker Discovery

מעבר רעילות, מערכות OOC יכולות למדוד יעילות סמים.מודל גידול על שבב, למשל, ניתן להשתמש בבדיקת שילובים כימותרפיה ו למדוד התכווצות גידול, פלישה, ואפופטוזיס. על ידי דגימת המדיום efflux, החוקרים יכולים לגלות סממנים ביולוגיים סודיים (חלבון, אקסומדומים, metabolites) כי תואמים עם תגובה תרופתית, פוטנציאל להניב בדיקות אבחון חדש.

יתרונות לפיתוח סמים

כוח חיזוי

מחקרים השוואת נתוני OOC לתוצאות קליניות מראים כי מכשירים אלה יכולים לחזות תגובות אנושיות עם <70% דיוק, בהשוואה ל- 50% עבור מודלים בבעלי חיים.לדוגמה, ריאה-על-עצ'יפ זיהה נכונה את חוסר הרעילות של מועמד סמים ליליקוזיס שהראה חיובי כוזב במקוטנטים. זה כוח מנבא נובע משימוש בתאים אנושיים ושיקום של כוחות פיזיולוגיים וכוחות.

עלויות מופחתות וזמן

העלות הממוצעת של פיתוח תרופה חדשה עולה על 2 מיליארד דולר, עם מעל 10 שנים מגילוי ועד אישור. OOC מערכות יכול להפחית את זה על ידי מתן זיהוי מוקדם יותר של בעיות בטיחות ועל ידי מתן פלטפורמה אנושית למחקרים מכניים של פעולה, ובכך להפחית את מספר הניסויים בבעלי חיים נכשלים בשלב מאוחר ניסויים. חברות כמו Emulate, Mimetas ו TisUse כבר מוכרים צ'יפס מסחרי עבור הקרנה שגרתית.

רפואה אישית

תאי iPSC או ביופסיה של המטופל יכולים להיות ממוקמים על שבב כדי ליצור "ניסוי קליני במנה" זה מאפשר לרופאים לבחון תרופות מרובות על תאים של המטופל לפני שקודם, זיהוי הטיפול היעיל ביותר ולהימנע תגובות שליליות.לדוגמה, צ'יפי המעי הספציפיים של המטופל שימשו כדי להעריך תגובות סמים כדי לשנות את ה-CFTRulators, לתקן את התוצאות עם תוצאות קליניות.

שילוב עם חיישנים ואוטומציה

כדי למקסם את חומר המידע ואת איכות הנתונים, מערכות מודרניות של איבר על-a-chip יותר ויותר לשלב חיישנים משובצים. חיישנים אלקטרוכימיים יכולים למדוד pH, חמצן, גלוקוז, ו לקטט בזמן אמת. spectroscopy לפקח על שלמות מחסום (למשל, TEER עבור מחסום דם-מוח מיקרוסקופי).

פלטפורמות אוטומטיות המשלבות תרבות השבבים, טיפול נוזלי, ורכישת נתונים זמינים כעת, פועל עד 96 צ'יפס במקביל.הקנה מידה זו חיונית לבדיקת ספריות התרופות. אלגוריתמי למידת מכונות מנתחים את הנתונים התת-ממדיים (תמונות, אותות חיישן, metabolomics) כדי לזהות חתימות של מצב מחלה ואפקט סמים, פרשנות מאיצה.

אתגרים ומגבלות

למרות הבטחתו, טכנולוגיית איברים-על-עצ'יפ ניצבת בפני כמה מהלכידות (FLT:0) סטוארדיזציה (Standardization FLT:1) נותרה נושא עיקרי: מעבדות שונות משתמשות במקורות תאים שונים, עיצובי שבב ופרוטוקולים, מה שהופך את זה קשה להשוות תוצאות. Regulatory קבלה על ידי סוכנויות כמו ה- FDA דורש אימות, כפי שמעיד על ידי LT2, למרות דרישות רזולוציה גבוהה של פיזור (Dipan)

(ב) [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(FLT:0) Cost ומומחיותFLT:1 גם להגביל את האימוץ: שבבים מסחריים יכולים לעלות 50-200 דולר למכשיר, ומבצע דורש ציוד מיוחד ואימון.

כיוונים עתידיים

העשור הבא צפוי לראות טכנולוגיית איברים על שבב מחקר אקדמי לשימוש תעשייתי ו קליני נרחב.

• (FLT:0) Multi-Ororgan Human-on-a-chip:FLT:1 Systems המשלבת 5-10 איברים (לב, כבד, ריאות, כליות, מעיים, עור) לפיזיולוגיה מערכתית ומחלות.
• (FLT:0) אינטגרציה עם AI:FLT:1 , הדמיה אוטומטית ולמידה מכונה כדי לחזות תגובות סמים מנתוני השבבים, צמצום הצורך בניתוח ידני.
• (FLT:0) צ'יפס מותאם לניסויים קליניים: FLT:1 שימוש בחולי iPSCs כדי ליצור "avatars" לבדיקה פרה-קלינית של טיפולים חדשים, תרופה מדויקת מאיצה.
• (FLT:0) Biomanufacturing and scale-upmia:FLT 1:1 הדפסה 3D של שבבי עם תאים חיים מוטבעים ישירות, המאפשרת כוונון מהיר ייצור המוני.
• (ה)ה- FDA מעריך את נתוני ה-OC לאישור סמים; חברות כמו FLT:2 EmulateFLT 3: 3 פועלות לקראת הסמכה רשמית של השבבים שלהם לבדיקת רעילות.

מסקנה

טכנולוגיית איברים-על-עצ'יפ התפתחה מסקרנות מיקרו-מבריונית לכלי רב-עוצמה למחקר ביו-רפואי.היכולת שלו לחקות תפקוד איברים אנושי בפורמט מבוקר, בר-דרגתי מציע גשר בין תרבות תאים מסורתית לבין מודלים בעלי חיים, עם פוטנציאל להאיץ פיתוח תרופות, להפחית עלויות, ולייעל טיפולים אישיים. בעוד אתגרים נשארים בסטנדרטיזציה, vascularization, ולאורך ההתקדמות המתמשכת בביולוגיה של גזע, מיקרו-חומרים, הם במהירות גבוהה יותר ויותר, והופכים למחסומים מתקדמים של מערכות של תאים מתקדמים, וגמישות, ומערכת מתקדמת, וגמישות מתקדמת, ומערכת מתקדמת, כמו גם לסוללות מתקדמות, כמו גם לסוללות מתקדמות, כמו גם לסוללות מתקדמות, וגמישות, וגמישות, הן לסוללות מתקדמות יותר, וגמישות מתקדמת, וגמישות מתקדמת, הן לסוללות מתקדמות, ומערכת מתקדמת, הן לסוללות מתקדמות, וגמישות מתקדמת, וגמישות מתקדמת, הן לפלטפורמת אבטחה מתקדמת, והן לסוללות מתקדמות, ומערכת מתקדמת, כמו גם לסוללות מתקדמות, וגמישות מתקדמת, והן לסוללות מתקדמות יותר ויותר, הן לסוללות מתקדמות יותר ויותר, הן לסוללות מתקדמות, הן לסוללות מתקדמות, הן לסוללות מתקדמות, והן לסוללות מתקדמות, והן לסוללות מתקדמות יותר ויותר, והן לסוללות מתקדמות,

לקריאה נוספת, לחקור משאבים מהמרכז הלאומי של Biotechnology InformationFLT:1 על ביקורות איברים על שבב, ואת המכון הלאומי של 2Weizmann המכון של ארגון על-על-a-ChipuaFLT 3 עבור דוגמאות מחקר חדשניות.