מודלים של רקמות ווסקולריים הם כלים חיוניים במחקר ביו-רפואי, המאפשרים למדענים ללמוד כלי דם, מחלות פולשניות, ותגובות סמים בסביבה מבוקרת.מערכות תרבות סטטיות מסורתיות, אך לא לשכפל את הרמזים המכניים והביוכימיים שכלי הדם חווים בגוף.שילוב של מערכות מיקרו-השפעה למודלים אלה צמח כאסטרטגיה עוצמתית להתגבר על מגבלות אלה.

מערכות מיקרופלודיות

מיקרודיקליקים עוסקים בהתנהגות, בשליטה ובמניפולציה של נוזלים המגבילים לערוצים עם ממדים שבדרך כלל נעים בין עשרות למאות מיקרומטרים. בקנה מידה זה, זרימת הנוזל היא בעיקר laminar, מאופיינת במספרים נמוכים של ריינולדס, כלומר ערבוב מתרחשת בעיקר באמצעות דיפוזיה ולא הדבקה סוערת.משטר זה זרימה מאפשרת שליטה מהירה על כל כך, גורמי תאים מכניים, וכוחות מיקום מכניים, כוח מכני.

רוב המכשירים המיקרו-אפקטיים מוטבעים באמצעות טכניקות לימוזינה רכות עם מכשירי פולידי מתילקסאן (PDMS), elastomer שקוף, גז שניתן לגז, שאינו מתאים וקל לתבנית. PDMS ניתן להתחבר לזכוכית או תת-סטריטים אחרים כדי ליצור ערוצי הדמיה חתומה.

יתרונות מרכזיים של מערכות מיקרו-השפעהיים כוללים את היכולת לשמור על זרימה יציבה או pulsatile, לייצר פרופילים מתח הרהר מדויק, ליצור ⁇ ריכוז, ושלב סוגים מרובים תאים ב Geometries תאים תאים תאים. תכונות אלה להפוך microfluidics אטרקטיבי במיוחד עבור בניית מודלים פולשניים כי לחקות את המיקרובינציה vivoenvironment.

יתרונות מרכזיים של Integrating Microfluidics לתוך מודלים וחילוניים

מערכות מיקרו-השפעה חודרות הופכות מודלים של רקמות פולשניות ממבנה סטטי, דו-ממדי לפלטפורמות דינמיות, תלת-ממדיות שלוכדות היבטים חיוניים של פיזיולוגיה פולשנית.היתרונות הם רב-פנים ומשפיעים ישירות על הרלוונטיות והתועלת של מודלים אלה לפיתוח מחקר ותרופה.

שכפול של כוחות המודינמיקה

תאים אנדואליים רירית הדם כל הזמן נחשפים ללחץ של Shear מדמם.כוח מכני זה קריטי לשמירה על תפקוד endothelial, regulating ביטוי גנים, ומשפיעים על טון vascular ו permeability. בתרבויות סטטיות, תאים ניאולימיים הראו לעתים קרובות delentiate או לאבד את התקני חילוף החומרים האופייניים שלהם.

שיפור ה-Foodent and Waste Exchange

במערכות סטטיות, דיפוזיה מגבילה את אספקת המזון וההסרה של הפסולת, מה שמוביל ל ⁇ שיכולים להדגיש תאים. perfusion מיקרו-אפקטיבית מספקת חידוש מתמשך של חומרים מזינים וחמצן תוך הסרת פסולת מטבולית, יצירת סביבה יציבה יותר והומוגנית.זה חשוב במיוחד עבור רקמות סמיכות, תלת-ממדיות, שבו דיפוזיה לבדה אינה מספקת.

שילוב Co-Culture ו-Vircular

מודלים רבים של vascular דורשים נוכחות של סוגים תאים מרובים, כגון pericytes, תאים שרירים חלק, או תאים חיסוניים, כדי לשחזר במדויק את מבנה הקיר ותפקוד. פלטפורמות מיקרופלודיות ניתן לתכנן עם ערוצים נפרדים או תאים כדי לעצב אוכלוסיות תאים שונים בהגדרה קרובה, המאפשר אותות paracrine ואינטראקציה תא. לדוגמה, מודל של מחסום הדם-מוח עשוי לכלול מיקרו-דלקתיבית עם תאים פגומים באופן עצמאי.

המונחים: high-Through assays

מכשירים מיקרו-השפעהיים יכולים להיות מוטבע עם ערוצי מקבילה מרובים או מערך של תאי תרבות, המאפשרים בדיקות בו זמנית של תנאים שונים (למשל, ריכוזי סמים, שערי זרימה, סוגי תאים) על שבב יחיד.יכולות גבוהה זו מאיצה את הניסוי תוך צמצום צריכת טינה דרישות תאים.אינטגרציה עם מערכות טיפול נוזלים הדמיה אוטומטית עולה דרך, מה שהופך מודלים מיקרו-דלקתיים עבור בדיקות נשימה אטרקטיביתמיים של תרופות או שיטות בדיקה מושכות של תרופות.

עיצוב ומרקם מודלים מיקרופלודיים ואקולאריים

עיצוב יעיל של מודל מיקרו-השפעהי של כלי דם דורש שיקול זהיר של גאומטריה ערוץ, תכונות חומריות, שיטות ראיית תאים, והגדרה של היתוך.המטרה היא ליצור מיקרו-סביבה המחקה באופן הדוק את הכלי Native תוך שמירה על מעשיות למניפולציה ניסיונית וניתוח.

ערוץ גיאומטריה ו Scaling

ממדים ערוץ צריך לבחור לשכפל את גודל כלי הדם של היעד.עבור מודלים מיקרו-וסקולריים, רוחב ערוצים וגבהים עשויים לנוע בין 50 ל-300 מיקרומטר, בעוד מודלים אמנותיים גדולים יותר עשויים להשתמש ערוצים של 500 מיקרומטר או יותר.צורה חוצה-מחלקה (חלקים טרואנטים, מעגליים, או מלכודות) השפעות זרימה וחלוקה מתח.

בחירה וכיסוי פנים

PDMSflu נשאר החומר הנפוץ ביותר בשל שקיפות אופטית, עמידות גז, וקלות של ייצור. עם זאת, PDMS הוא הידרופובית נוטה למודעות מולקולות הידרופוביות קטנות, אשר יכול לסבך מחקרים תרופתיים.פלישים כגון פלסמה חמצן, ציפוי עם חומרים ממטריקס נוספים (למשל, fibronectin, קולגן, ג'לטין), או יישום של ספיגמנטלוקסידוקסידוקסידוקסידוקסמין עשוי להפחית את החומרים המתאימים (דלקתיים) כגון טיפול תרופתית סוכריות (דלקתיים) או ירידה מינימלית שומן).

תגית: Endothelialization

לראות תאים endothelial אחיד על קירות המיקרו ערוצים הוא קריטי להרכיב מונושכבת בולט.שיטות נפוצות כוללות תצפית סטטית על ידי הזרקת השעיה תא לתוך הערוץ ומאפשר תאים להתיישב, ואחריו היתוך כדי להסיר תאים שאינם מועדים. חלק מהעיצובים משתמשים זרימה מונעת כוח הכבידה או כוחות טופוגל כדי לשפר את היעילות.

המונחים: Flow control

שליטה מוקדמת של זרימת נוזל מושגת באמצעות משאבות סינינגה, משאבות peristaltic, או מערכות מונעות לחץ. משאבות סירינג מציעות שערי זרימה יציבה המתאימים בניסויים ארוכי-מדינתיים, בעוד משאבות peristaltic יכול לשחזר את אמצעי התקשורת בלולאה סגורה.מערכת המונעת לחץ לספק זמני תגובה מהירים יותר ויכולה לייצר פרופילים מורכבים יותר, כולל גלימות פתטי יכול לעתים קרובות להיות משולב עם רכיבי pH או מכוב.

שילוב של חיישנים ובדיקה

מודלים מתקדמים מיקרו-השפעהיים פולשניים משלבים חיישנים משובצים למעקב בזמן אמת של פרמטרים כגון ריכוז חמצן, pH, טמפרטורה ואימפולס חשמלי. חיישנים אלקטרו-כימיקליים, סיבים אופטיים, או כתבים פלואורצנט יכולים להשתלב בתוך המכשיר. לדוגמה, באמצעות צבעי פלואורסנט רגישים לחמצן, החוקרים יכולים למפות את ה ⁇ היפותקסי בתוך מבנה פולשני של הדמיה, או הדמיה אופטית של תאים אופטיים, עקב ערוצי קרישה אופטיים, או אופטיים, או אופטיים, עקב אופטיים, הוא אפשרי.

יישומים של מודלים מיקרופלואידים ואקולאריים

הפונקציונליות המשופרת של מודלים פולשניים מיקרו-השפעהיים פתחה דרכים חדשות במחקר בסיסי, פיתוח תרופות ורפואה אישית.

סמים רעילים ודמיון

רעילות פולשנית לסמים היא דאגה משמעותית בפיתוח תרופות.מודלים מיקרופלודיים של כלי דם אנושיים ניתן להשתמש כדי להעריך את ההשפעות של תרכובות המועמדות על יכולת ימית, תפקוד מחסום, ודלקת. על ידי מדידה של התנגדות חשמלית טרנסנדטואלית (TEER) או הדלפה של עקבות פלורסנט, החוקרים יכולים לכמת שינויים משמעותיים בתגובת תרופות אלה הן תגובה מיקרו-אופטיקה יותר: 1.

Angiogenesis ו-Vircular Reמודלing Studies

התקנים מיקרו-השפעה מאפשרים מחקר של נבטות אנגיוגניות תחת ⁇ כימיות ומכניות מבוקרות.על ידי שילוב אזורי הידרוג'ל הסמוכים למיקרו-ערוצים, החוקרים יכולים להתבונן כיצד תאים נוסטליים פולסים 3D מטריצה בתגובה לגורם הצומח, עם הדמיה בזמן אמת.

מחלה מודלינג (Atherosclerosis, Thrombosis, סרטן)

מחלות אשקוליות כגון טרשת עורקיםclerosis כרוכות אינטראקציות מורכבות בין זרימת הדם, תפקוד לקוי קצה, תאים דלקתיים. מודלים מיקרופלודי יכול לשכפל גיאוגרפית stenotic, אזורי זרימה מופרעים, והצטברות שומנים כדי לחקור היווצרות פלאפל והתקדמות.עבור מחקר thrombosis, מיקרו-fluids המצופה תאים אנדוטיים יכול להיות חשופים לגורמי קרישה או פלזמה כדי לחקור תאים סרטניים של סרטן פולשניים, הם המשמשים את תפקוד הדם.

תרופות אישיות ומודלים הקשורים למטופל

באמצעות תאי גזע בעלי ערך מוסף (iPSCs) או תאים endothelial מדגימות דם, החוקרים יכולים ליצור מודלים vascular vascular vasfluidic vascular vascular vascular vasidic.מודלים אלה יכולים לשמש כדי לבחון תגובות בודדות לתרופות, לחזות תופעות לוואי פולשניות, או ללמוד גרסאות גנטיות הקשורות למחלה פולשנית.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, מודלים מיקרו-השפעהיים אלה עומדים בפני כמה מכשולים שיש לטפל בהם לאימוץ ותרגום רחב יותר.

Clogging ו- Air Bubble Formation

ממדים קטנים של ערוצים נוטים לכריתת תאים, פסולת, או מלחים מחוסנים.בועות אוויר שהוצגו במהלך ההתקנה יכולים למנוע זרימה ונזקים. degassing של אמצעי התקשורת, שימוש במלכודות, וסינון יכול להקטין את הבעיות האלה, אבל הם מוסיפים מורכבות לזרימת העבודה הניסויית.

אחידות של Cell Coverage

השגת מונוקומה קונטיבית פונקציונלית ומונולית על פני כל פני התעלה נותר מאתגר, במיוחד בגיאומטריה מורכבת כמו bifurcations או פלחים מעוקלים. כיסוי שלם מוביל לאזורים של מאטריקס חשוף, אשר יכול לגרום קרישה או דבקות לא ספציפית.שיפור פרוטוקולים לראות וטכניקות דפוס פני השטח הם תחת חקירה.

תרבות ארוכת טווח

קיום תרבויות אנדואליות קיימא במשך שבועות או חודשים דורשות היתוך מתמשך, סטריליות, והחלפת מדיה. לאורך זמן, PDMS יכול לספוג שומנים ומולקולות קטנות, שינוי הרכב התקשורתי. פנוטיפ תאים עשוי לסחף, ושיפוץ ממטריקס חוץ סלולרי יכול לשנות תכונות ערוץ.פיתוח פרוטוקולים תרבות ארוכת טווח הוא תחום פעיל של מחקר.

סקלאלה וסטנדרטיזציה

בעוד מכשירים מיקרו-השפעהיים יכולים להיות מקבילים, דרוג עד 96 פורמטים של צלחת 384-well עבור בדיקות ביצועים גבוה מציג אתגרים הנדסיים. Standardization של עיצובים, מקורות תאים, ופרוטוקולים נדרשים כדי לאפשר התחדשות על פני מעבדות. Initiatives כגון אורגן-on-a-Chip בפיתוח (CHID) תוכנית כדי לקבוע סטנדרטים טכניים.

שילוב עם כלים אנליטיים

ניטור בזמן אמת של ביומרקרים, metabolites, או סודיות חלבון בדרך כלל דורש חיישנים שבב או חיבורים מיקרו-השפעהיים למכשירים אנליטיים חיצוניים. integrating רכיבים אלה ללא שילוב של יכולת תא או תפקוד המכשיר נשאר תובעני מבחינה טכנית.התקדמות במערך מיקרו-אלקטרוניקה, ביוסנסורים, ו miniaturized Massspectrometrys עשויה בסופו של דבר להתגבר על מכשולים אלה.

כיוונים עתידיים

התחום של מודלים פולשניים מיקרו-השפעהיים מתפתח במהירות, עם כמה מגמות מתעוררות שנועדו לשפר את הפונקציונליות ואת הרלוונטיות הקלינית.

Multi-Organ-on-a-Chip Platforms

מבנים ואסרקוליים הם חלק בלתי נפרד ממערכות איברים רבות.פלטפורמות עתידיות עשויות לחבר רשת פולשנית מיקרו-השפעהית לתאי תאים המייצגים את הכבד, הכליות, הלב או המוח, יצירת "גוף-על-עצ'יפ" (גוף-על-עצ'יפ) מערכות כאלה יאפשרו לחוקרים ללמוד הפצה מערכתית של סמים, אפקטים מטבוליטים וצלב בין-אורגני בהקשר פיזיולוגי.

שימוש ב-Furduced Pluripotent Stem Cells and Organoids

iPSCs ספציפי לחולה יכול להבדיל תאים endothelial סוגים אחרים תאים פולשניים, המאפשר מחלה אישית מודל ובדיקת סמים.שלב תאים iPSC-derived עם מכשירים מיקרו-fluidic מאפשר יצירת של אוסטרואידים פולשניים, שבו רשת פולשנית מבוללת תומך בצמיחה של רקמות ספציפיות איברים.

למידה מתקדמת ולמידה של מכונות

הדמיה גבוהה תוכן בשילוב עם אלגוריתמי למידת מכונה יכול לנתח באופן אוטומטי את המורפולוגיה התא, הגירה, ועמוד השדרה שלמות לאורך זמן.מודלים למידה עמוקה יכולים לחזות אפקטים של תרופות בהתבסס על נתוני הדמיה, תוך שיפור תהליך ההקרנה. לולאות משוב אוטומטיות שמתאים את תנאי זרימת או ריכוזי סמים המבוססים על קריאות חיישן בזמן אמת נחקרות, המאפשרות "חכם" מערכות מיקרו-השפעה.

פיתוח: Vecularized Tissues for Regenerative Medicine

בסופו של דבר, גישות מיקרו-השפעה עשויות לתרום לייצור של רקמות מושתלות, פולשניות, על ידי שימוש בחומרים ביו-תואמים ו biodegradable, החוקרים יכולים לבנות רשתות מיקרו-וסקולריות מתקדמות שניתן לשתול עם תאים חולים ולאחר מכן מושתלים כירורגית כדי לשחזר את זרימת הדם לרקמות פגומים.

מסקנה

השילוב של מערכות מיקרו-השפעהיות למודלים של רקמות פולשניות שיפר באופן יסודי את היכולת לשחזר את הסביבה הדינמית, תלת-ממדית של כלי הדם ב vitro. על ידי מתן שליטה מדויקת על זרימת נוזלים, לחץ אווירי, משלוח תזונתי, ואינטראקציות תאים תאים, מודלים אלה מציעים תובנה חסרת תקדים לתוך ביולוגיה ופתולוגיה.הם משמשים פלטפורמות חזקות לפיתוח תרופות, מודל, ורפואה אישית, תוך הנחת פיתוח תאים עתידיים של תאים מתקדמים יותר, כדי שיפור מודלים מתקדמים יותר, כדי שיפור מודלים אלה.