Table of Contents

Giriş: Biomedical Modeling'teki Sonraki Sınır

Organ-on-a-çip (OOC) teknolojisi, modern biyomedikal mühendisliğindeki en dönüştürücü ilerlemelerden biri olarak duruyor.İnsan organlarının mikro-kahraman sistemlerini yeniden ortaya koyarken, bu cihazlar, araştırmacıların doku ve organ seviyesindeki genetik tedavi yaklaşımlarını araştırarak, fizyolojik bir ilgiyi veya hayvan modellerini gözden geçirmelerini sağlıyor.

Organ-on-a-Chip Systems Nedir?

Bir organ-on-a-çip, kültür ortamı ile sürekli olarak kan akışına karışan mikro ölçekli bir hücre kültürü cihazıdır. Tipik olarak yumuşak lithografi teknikleri kullanılarak, bu çipler, renkli mikro kanallar ile sürekli olarak ortaya çıkan canlı insan hücreleri ile birlikte, kan akışına neden olabilir.

Mikrofluidics, doku mühendisliği ve hücre biyolojisi. Erken cihazlar akciğer ve karaciğer modellerine odaklanmıştı, ancak alan, kalp, böbrek, bağırsak, beyin ve hatta çok fazla organ-ops platformuna ne kadar doğru cevap vereceğini tahmin edebilirsiniz.

Organ-on-a-Chip Sistemlerinin Tasarım Prensleri

Hücre Seçimi ve Sourcing

Herhangi bir organ-on-a-çik temelleri, biyopsis veya cerrahi örneklerden elde edilen hücreler, yerli sahte hücre hatlarının korunması için bazen kanıt-konsep çalışmaları için kullanılır.Indüklenen pluripotent kök hücreler (iPSCs) neredeyse herhangi bir hücre tipine ayırt edilebilir ve kişiselleştirilmiş ilaç uygulamaları için idealdir.

Mikroarite ve 3D Mikroenvironments

Mimicking doku mimarisi sadece monokatlı hücrelerden daha fazlasını gerektirir. Organ-on-a-çiz tasarımları genellikle göz ardı edilebilir membranlar, hidrojektif hücreler veya mikropatterd yüzeyleri çok katmanlı yapılar oluşturmak için. Örneğin, akciğer-on-a-çizor, hava-kan-kanıklı bir membran hattını kullanarak ve gaz değişimi, enfeksiyon, ilaç ve ilaç kullanımı ile birlikte şekillendirir.

Mikrofluidics ve Perfüzyon

Mikrofluidic kanalları (tipik olarak 50-500 mikrometre) sürekli besin, oksijen ve test bileşikleri, metabolik atıkları ortadan kaldırırken, akış oranları tam olarak fizyolojik hear stresini (örneğin, 0,5-20 dyn/cm2) içerir. Bu dinamik ortam genellikle hipokoksi, besleyici depletion ve toksik atıkların asitlerin birikimine yol açar ve toksik olmayan yanıtlara yol açabilir. Gelişmiş prtorlar veya peristaltik pompalar otomatik, uzun süreli kültür için.

Mekanik Cues

Birçok organ hücre davranışını etkileyen mekanik kuvvetler deneyimliyor. akciğer-on-a-çip bariyer fonksiyonunu artırmak için bir döngüsel germe mekanizması (tek vakum kanalları) nefes almak için uygundur; Kalp-çaplı cihazlar, sözleşmeleri dağıtmaya yönelik elektriksel baskı uygular ve bariyerleri artırmak için gerçekçi olarak yanıt verebilirler.

Malzemeler ve Fabrication Yöntemleri

Organ-on-a-çizor üretimi için en yaygın malzeme poliditilsiloxane (PDMS), optik olarak açık, gaz-permeable, biyo uyumlu elastomer. PDMS karmaşık mikro kanal geometrileri oluşturmak için silikon kalıplardan atılabilir. ancak PDMS, küçük hidrobik moleküllerin absorbe edilmesi, alternatif termoplastiklerin keşfine yol açabilir.

Kumaşlama genellikle bir master kalıbı oluşturmak için fotolitoloji içerir, PDMS replica kalıplarını takip eder. Daha gelişmiş teknikler, lazer ablasyon, mikromilling ve canlı hücreleri doğrudan çiplere dahil etmek için biyoprinting içerir (biyoprinted organlar-on-çipler).

Organ-on-a-Chip ile Hastalık

OOC sistemlerini kullanarak hastalık modellemesi, patolojik uyaranları, enflamatuar cytokineler, patojenler veya toksik bileşikleri – çevreyi ve ortaya çıkan hücresel ve doku yanıtlarını gözlemler. Çünkü çipler yeniden yapılandırılabilir hastalık mekanizmaları, basit hücre kültürlerinde görünmezler.

Bir Chipda Kanser Metastasis

Araştırmacılar kanser hücresi işgal ve metastasis sürecini modelleyen çipler geliştirdiler. Tipik bir tasarım birincil tümör hücreleri için bir bölme içeriyor, bir kan veya lenfatik gemiyi temsil eden bir mikro kanal ve distal organ bölmesi.

Nörodejeneratif Hastalık Modelleri

Kan-brain bariyeri (BBB) çipleri beyin endotel hücreleri, pericytes ve kortical organoidler ile aynı şekilde bir platform sağlayarak Alzheimer hastaları için askıya alır.

Infectious Disease and Host-Pathogen Interactions

Organ cipsi grip (kırık-a-çiz) gibi enfeksiyonlarla çalışmak için kullanılmıştır, atro-on-ko-k-a-çip-ko-p-ka-ko-koz) ve çipler, genetik patojenleri anlamak için kullanılan akciğer parçalarıdır.

Hastalık Modelleri Örnekleri

Kalp Hastalığı

Kalp-on-a-çip platformları iPSC'lerden elde edilen kardiyomiyopati veya uzun QT sendromlu hastalardan sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan kardiyomiyopati veya uzun QT sendromlarını incelemek için kullanılmıştır.

Lung Hastalığı

Lung cipsi, epithelial tabakasını tümergenlere veya interleukins'e maruz bırakan, kanal deformasyonu olarak uygulanan akciğer fibroz modelleri ile karakterize edilen blemisin tedavisine yol açtı ve bu platformlar epitelif olmayan ilaçlar ve tedavileri hedeflemek için değerli.

Kidney Hastalığı

Proximal tubule cipsi renal epithelial hücreler, dış akış ortamındaki tıkanıklık veya gentamik gibi ilaçlar tarafından neden olan nephrotoxicity modelini modelleyebilir. Araştırmacılar, KIM-1 ve neutrophil jelatinase-associated lipocalin (NGAL) gibi yaralanma işaretleyicilerini ölçtü.

Gut Hastalığı

Intestine cipsi bağırsak epitel hücreleri (Caco-2 veya organoid-derived) ve bağışıklık hücreleri içerir, periferik akış ve düşük oksijen basıncı altında muhafaza edilir.Inflammatory bağırsak hastalığı modelleri dudakopolazccharide (LPS) veya fecal mikrobiyota ekleyerek oluşturulur. Chip- bazlı ko-kültürler anaerobik bakteriler ile mikrobiyolojiler mikropların nasıl engellendiğini ortaya koydu.

Organ-on-a-Chip kullanarak Terapileri test edin

OOC teknolojisinin en çekici ticari uygulaması ilaç geliştirmede, klinik denemelerden önce riskli adaylara söz veriyor. Tipik bir iş akışı, hastalanmış hücreler (veya genel iPSC-derived hücreler), sonra cihazı bir konsantrasyonda test bileşiklerine maruz bırakıyor. Yüksek memnun edici görüntüleme, otomatik örnekleme ve entegre biyosensorlar gerçek zamanlı yanıtları alıyor: hücreli viability, bariyer bütünlüğü, cytokine salgılama, metabolizma ve elektrik aktivite.

Pharmacokinetics ve Toksiklik

Çok organize çipler (liver, böbrek, kalp ve akciğer) mikrofluidik kanallar ile bağlantılı olarak, bir ilacın karaciğerde nasıl absorbe edildiğine ve karaciğerde çürütülebileceğini incelemelerine izin verir. Örneğin, karaciğer-kidney her zamanatik bir metabolizma ile üretilen nefrooksit modeli sağlar.

Efficacy ve Biomarker Discovery

toksisitenin ötesinde, OOC sistemleri ilaç etkinliğini ölçebilir. Örneğin, uyuşturucu yanıtıyla ilişkili bir tümör-on-a-çi-çiçek modeli, potansiyel olarak yeni tanı testleri test etmek ve tümörler ölçmek için kullanılabilir. efflux ortası örnek olarak, araştırmacılar gizli biyomarkers (proteinler, exosomes, metabolitler) keşfederler.

Uyuşturucu Geliştirme için Avantajları

Tahmin edici Güç

OOC verilerini klinik sonuçlarla karşılaştıran çalışmalar, bu cihazların insan hücrelerinin kullanımı ile ilgili olarak% 70 oranındaki tepkileri tahmin edebileceğini gösteriyor. Örneğin, akciğer-on-a-çizorunlu bir ilaç adayının toksisitesinin doğru bir şekilde, insan hücrelerinin ve fizyolojik akışların ve kuvvetlerin yeniden düzenlenmesiyle karşılaştırıldığında, bu tahmin edici güç köklerini tahmin ediyor.

Maliyetleri ve Zamanını Azladı

Yeni bir ilaç geliştirmek için ortalama maliyet, 10 yıldan fazla bir süre boyunca onay için keşiften geçer. OOC sistemleri bunu daha önce güvenlik sorunları tespit ederek ve mekanizma-of-action çalışmaları için bir insan platformu sağlayarak, bu nedenle hayvan deneyleri sayısını azaltıp geç aşama denemelerini azaltmaktadır.

Kişiselleştirilmiş Tıp

Hastaya yönelik iPSC veya biyopsi hücreleri, bir yemekte uyuşturucu yanıtlarını değerlendirmek için bir çipe yerleştirilebilir. Bu, doktorların reçete etmeden önce birden çok ilaç test etmesine izin verir, en etkili tedaviyi tanımlamak ve olumsuz tepkilerden kaçınır. Örneğin, cystic fibrosis hastaya özel olarak bağırsaklar tedavilerine ilaç yanıtları değerlendirmek için kullanılmıştır.

Sensörler ve Otomasyon ile entegrasyon

Gen ve veri kalitesini arttırmak için, modern organ-on-a-çiz sistemleri giderek gömülü sensörler içerebilir. Elektrokimyasal sensörler pH, oksijen, glukoz ve spreoskopi gerçek zamanlı olarak kullanarak canlı görüntüleme sağlar. Impedance spectroskop monitörler bariyer bütünlüğü (örneğin, TEER kan-brain bariyeri). Microelectrode dizileri (MEA) kalp veya sinir dokularının elektrik aktivitesini ölçebilir. Optik şeffaflığı, canlı-kokulu görüntülemeyi gerçek zamanlı olarak kullanarak görüntüleme sağlar.

çip kültürünü, sıvı işlemeyi entegre eden otomatik platformlar ve veri satın alımı artık mevcut, paralel olarak 96 çipe kadar çalışıyor.Bu ölçeklenebilirlik, tarama uyuşturucu kütüphaneleri için gereklidir. Makine öğrenme algoritmaları yüksek boyutlu verileri analiz eder (görüler, sensör sinyalleri, metabolomics) hastalık durumunu ve uyuşturucu etkisini tanımlamak için gereklidir.

Meydanlar ve Sınırlar

Sözcülüğe rağmen, organ-on-a-çiz teknolojisi FDA'nın gerektirdiği gibi çeşitli engellerle karşı karşıya kalmaktadır.()Standartizasyon) önemli bir konudur: farklı laboratuvarlar, farklı hücre kaynakları, çip tasarımı ve protokolleri, sonuçları karşılaştırmak için zorlanırlar.Rekonferanslar gibi kurumlar tarafından kabul edilebilir, geri dönüşümlü organoidler köprü boşluğunun boşlukları olabilir.).

[FONT:0]Vascularizasyon[DDDDDDD dokudaki makul damar ağı oluşturmak, önceden bilgilendirilmiş damar kanallarını oluşturmak için 3D biyoprinting ve sakrifal kalıp keşfeder.)

[FONT:0]Cost ve uzmanlık[Döneticiler[Döneticiler) aynı zamanda limit kabul edilebilir: ticari çipler cihaz başına 50 $ 200 dolara mal olabilir ve operasyon üretim ölçekleri ve otomatik hale gelir, maliyetler düşmesi bekleniyor.

Future Yol Tarifi

Önümüzdeki on yıl muhtemelen organ-on-a-çik teknolojisini, akademik araştırmadan yaygın endüstriyel ve klinik kullanımlara kadar hareket edecek. Anahtar gelişmeler şunları içerir:

  • [FONT:0) Çok-organ insan-on-a-çip:[Dönetici: [Dört: 5-10 organı (kal, karaciğer, akciğer, böbrek, bağırsak, beyin, deri) modelleme sistemik fizyoloji ve hastalıklar için.
  • [FONT:0) AI ile Integration:), Otomatik görüntüleme ve makine, ilaç yanıtlarını çip verilerinden tahmin etmeyi öğrenmeyi öğrenmeyi öğrenmeyi öğrenmeyi öğrenmeyi öğrenmektedir, manuel analiz ihtiyacını azaltır.
  • [FONT:0) Klinik denemeler için kişiselleştirilmiş cips: Hasta iPSC'leri kullanarak yeni tedavilerin ön segmental testleri için "avatarlar" oluşturmak için, hassas tıbbı hızlandırmak.
  • [FONT:0)Biomanufacturing and ölçek-up:), 3D, canlı hücrelerle doğrudan gömülüp, hızlı prototipleme ve kitlesel üretim sağlar.
  • [FONT:0)Yönergesel nitelik:[Dönergesel yeterlilik:[Dönergesel yeterlilik:[Dönetici:0) FDA, ilaç onayı için OOC verilerini değerlendirmektedir; [[Ücretsizlik[DÜ:2)Emulate) gibi şirketler, toksisite testleri için cipslerinin resmi yeterliliklerine doğru çalışmaktadır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Organ-on-a-çip teknolojisi, uyuşturucu gelişimini hızlandırma potansiyeline sahip oldu ve tıbbi araştırma için güçlü bir araç için büyük bir araçla birlikte, kök hücre biyolojisinde, mikrofluidics'ta devam eden gelişmeler ve otomasyonlar bu engellerin üstesinden geliyor. Alan olgunlaştığında, organ-on-a-çi-çip sistemleri, hastalık ve tedavilerin anlaşılması için vazgeçilmez bir platform haline geldi.

Daha fazla okuma için, ESRAT'den kaynak keşfedin:0) Biyoteknoloji Bilgi Merkezi[Döneticileri) organ-on-a-çip incelemeleri ve [Ücretsiz Araştırma Enstitüsü:2)Weizmann Bilim Organ-a-Chip inisiyatifi).