Organ-on-a-chip- Organ-on-a-chip

Az organ-on-a-chip ( OOC ) egy többcsatornás 3-D mikrofluidikus sejttenyésztési chip, amely szimulálja a teljes szervek és szervrendszerek tevékenységét, mechanikáját és fiziológiai válaszát , egyfajta mesterséges szervet . Jelentős biomedikai mérnöki kutatás tárgyát képezi , pontosabban a bio-MEMS-ben . A laboratóriumi chipek (LOC) és a sejtbiológia konvergenciája lehetővé tette az emberi fiziológia tanulmányozását szervspecifikus kontextusban, az in vitro többsejtű emberi szervezetek új modelljének bevezetésével . Egy napon talán megszüntetik az állatok szükségességét a gyógyszerfejlesztésben és a toxinvizsgálatokban.

Bár számos publikáció azt állítja, hogy szervi funkciókat fordított erre a felületre, a mikrofluidikus alkalmazás felé való elmozdulás még gyerekcipőben jár. A chip-szervek eltérő tervezésűek és megközelítésűek lehetnek a különböző kutatók között. E rendszerek validálása és optimalizálása valószínűleg hosszú folyamat lesz. A mikrofluidikus eszközökkel szimulált szervek közé tartozik az agy , tüdő , szív , vese , máj , prosztata , ér ( artéria ), bőr , csont , porc és így tovább.

Mindazonáltal az érvényes mesterséges szervek felépítéséhez nemcsak pontos sejtmanipulációra van szükség, hanem az emberi test minden eseményre adott alapvető bonyolult válaszának részletes megértésére. A chip-szervek közös problémája a szervek tesztelés alatti izolálása. A test élettani folyamatok összetett hálózata, ezért nehéz egyetlen szervet szimulálni. A mikrogyártás , a mikroelektronika és a mikrofluidika lehetőséget kínál arra, hogy kifinomult in vitro fiziológiai válaszokat modellezzenek pontosan szimulált körülmények között.

Lab-on-chip

A lab-on-a-chip olyan eszköz, amely egy vagy több laboratóriumi funkciót integrál egyetlen chipre, amely az üreges mikrofluidikus csatornákban lévő részecskék kezelésével foglalkozik. Több mint egy évtizede fejlesztették ki. A részecskék ilyen kis léptékű kezelésének előnyei közé tartozik a folyadékfogyasztás csökkentése (alacsonyabb reagensköltségek, kevesebb hulladék), az eszközök hordozhatóságának növelése, a folyamatvezérlés növelése (a gyorsabb termokémiai reakciók miatt) és a gyártási költségek csökkenése. Ezenkívül a mikrofluidikus áramlás teljesen lamináris (azaz nincs turbulencia ). Következésképpen gyakorlatilag nincs keveredés a szomszédos folyamok között egy üreges csatornában. A sejtbiológia konvergenciájában ezt a ritka tulajdonságot a folyadékokban arra használták fel, hogy jobban tanulmányozzák a komplex sejtek viselkedését, például a sejtek motilitását a kemotaktikus ingerekre adott válaszként , az őssejtek differenciálódását , az axonvezetést , a biokémiai jelátvitel szubcelluláris terjedését és az embrionális fejlődést .

Átmenet a 3D sejttenyésztési modellekről az OOC-kra

A 3D sejttenyésztési modellek meghaladják a 2D tenyésztési rendszereket azáltal, hogy elősegítik a sejtek differenciálódásának és szöveti szerveződésének magasabb szintjét . A 3D tenyésztési rendszerek sikeresebbek, mert az ECM gélek rugalmassága alkalmazkodik az alakváltozásokhoz és a sejt-sejt kapcsolatokhoz-ezt korábban a merev 2D tenyésztési szubsztrátok tiltották. Ennek ellenére még a legjobb 3D-s tenyésztési modellek sem képesek sok tekintetben utánozni a szerv sejtes tulajdonságait, beleértve a szövetek közötti szöveti felületeket (pl. Hám és érrendszeri endotélium ), a vegyi anyagok térbeli és időbeli gradienseit és a mechanikailag aktív mikrokörnyezeteket (pl. Artériák érszűkülete). és értágító válaszok a hőmérséklet -különbségekre). A mikrofluidikumok alkalmazása a szervek on-chipen lehetővé teszi a tápanyagok és más oldható jelek hatékony szállítását és elosztását az életképes 3D szövetszerkezetekben. A chipeken lévő szerveket a 3D sejttenyésztési modellek következő hullámaként emlegetik, amelyek utánozzák az élő szervek biológiai aktivitását, dinamikus mechanikai tulajdonságait és biokémiai funkcióit.

Szervek

Brain-on-a-chip

A Brain-on-a-chip eszközök interfészt hoznak létre az idegtudomány és a mikrofluidika között: 1) a kultúra életképességének javításával; 2) a nagy teljesítményű szűrés támogatása ; 3) a szervi szintű fiziológia és betegség modellezése in vitro /ex vivo , és 4) a mikrofluidikus eszközök nagy pontosságának és hangolhatóságának növelése. A Brain-on-a-chip eszközök többféle bonyolultságot ölelnek fel a sejttenyésztési módszertan tekintetében. Az eszközök olyan platformok felhasználásával készültek, amelyek a hagyományos 2D sejttenyésztéstől a 3D szövetekig terjednek organotípusos agyszeletek formájában.

Az organotípusos agyszeletek áttekintése

Az organotípusos agyszeletek egy in vitro modell, amely megismétli az in vivo fiziológiát további áteresztési és optikai előnyökkel, így jól párosítható a mikrofluidikus eszközökkel. Az agyszeleteknek előnyei vannak az elsődleges sejttenyészethez képest, mivel a szöveti architektúra megmarad, és a többsejtű kölcsönhatások továbbra is előfordulhatnak. Használatuk rugalmas, mivel a szeleteket akutan (kevesebb, mint 6 órával a szelet betakarítása után) lehet felhasználni, vagy későbbi kísérleti felhasználásra tenyészteni. Mivel az organotípusos agyszeletek hetekig fenntarthatják életképességüket, lehetővé teszik a hosszú távú hatások tanulmányozását. A szelet-alapú rendszerek kísérleti hozzáférést is biztosítanak az extracelluláris környezet pontos vezérlésével, így alkalmas platformot jelentenek a betegség és a neuropatológiai kimenetel közötti korrelációhoz. Mivel körülbelül 10-20 szeletet lehet kivonni egyetlen agyból, az állatok felhasználása jelentősen csökken az in vivo vizsgálatokhoz képest. Az organotípusos agyszeleteket több állatfajból (pl. Patkányokból), de emberből is ki lehet vonni és tenyészteni.

Alkalmazások

A mikrofluidikus eszközöket organotípusos szeletekkel párosították a kultúra életképességének javítása érdekében. Az organotípusos agyszeletek (körülbelül 300 mikron vastagságú) tenyésztésének standard eljárása félpórusos membránokat használ a levegő-közeg határfelület létrehozásához, de ez a technika a tápanyagok és az oldott gázok diffúziós korlátozását eredményezi. Mivel a mikrofluidikus rendszerek e szükséges tápanyagok és gázok lamináris áramlását vezetik be , javul a szállítás, és nagyobb szöveti életképesség érhető el. A szabványos szeletek életképességének megőrzése mellett az agy-a-chip platformok lehetővé tették a vastagabb agyszeletek sikeres tenyésztését (körülbelül 700 mikron), annak ellenére, hogy a vastagság miatt jelentős szállítási akadályt jelentettek. Mivel a vastagabb szeletek megőrzik a natív szöveti architektúrát, ez lehetővé teszi, hogy az agyon alapuló eszközök több „ in vivo- szerű” tulajdonságot érjenek el a sejt életképességének feláldozása nélkül. A mikrofluidikus eszközök támogatják a nagy áteresztőképességű szűrést és a toxikológiai értékeléseket mind a 2D, mind a szeletkultúrákban, ami új, az agyra irányuló terápiák kifejlesztéséhez vezet. Az egyik eszköz képes volt a pitavastatin és az irinotekán gyógyszerek kombinációs szűrésére glioblasztóma multiformban (az emberi agyrák leggyakoribb formája). Ezeket a szűrési módszereket a vér-agy gát (BBB) modellezésével kombinálták , ami jelentős akadályt jelent a gyógyszereknek az agy kezelésénél való leküzdésében, lehetővé téve a gyógyszer hatékonyságának in vitro vizsgálatát ezen a gáton . Mikrofluidikus szondákat használtak a festékek nagy regionális pontossággal történő szállítására, ami lehetővé teszi a lokális mikroperfúziót a gyógyszerek alkalmazásában. Mivel a mikrofluidikus eszközöket optikai hozzáféréssel is meg lehet tervezni, ez lehetővé teszi a morfológia és folyamatok vizualizálását is bizonyos régiókban vagy egyes sejtekben. A Brain-on-a-chip rendszerek a neurológiai betegségek, például az Alzheimer-kór , a Parkinson-kór és a szklerózis multiplex szervi szintű fiziológiáját pontosabban modellezhetik , mint a hagyományos 2D és 3D sejttenyésztési technikák. A terápiák és kezelések fordításához elengedhetetlen az a képesség, hogy ezeket a betegségeket in vivo állapotokra utaló módon modellezze . Ezenkívül agyon egy chipen eszközöket használtak az orvosi diagnosztikához, például az agyszövetszeletek rákos megbetegedéseinek biomarker kimutatásához.

Korlátozások

A Brain-on-a-chip eszközök nyírófeszültséget okozhatnak a sejteken vagy szöveteken a kis csatornákon keresztül történő áramlás miatt, ami sejtkárosodást okozhat. Ezek a kis csatornák érzékenyebbé teszik a légbuborékokat is, amelyek megzavarhatják az áramlást és potenciálisan károsíthatják a sejteket. A PDMS ( polidimetil-sziloxán ) széles körben elterjedt használata agyon-chipen eszközökben van néhány hátránya. Bár a PDMS olcsó, képlékeny és átlátszó, fehérjéket és kis molekulákat képes felszívni, majd később piócát ellenőrizhetetlen sebességgel.

Gut-on-a-chip

A humán bél a chipen két mikrocsatornát tartalmaz, amelyeket a bélhámsejtek által bélelt rugalmas, porózus extracelluláris mátrix (ECM) bevonatú membrán választ el egymástól : a Caco-2, amelyet széles körben használtak bélgátként. A Caco-2 sejteket szülői sejtje, az emberi vastagbél adenokarcinóma spontán differenciálódása alatt tenyésztik , amelyek a bél védő és abszorpciós tulajdonságainak modelljét képviselik. A mikrocsatornák polidimetil -sziloxán (PDMS) polimerből készülnek. A bél mikrokörnyezet utánzása érdekében perisztaltikus szerű folyadékáramot terveztek. A szívás indukálásával a vákuumkamrákban a fő sejtcsatorna kettősrétegének mindkét oldalán, a nyújtás és a lazítás ciklikus mechanikai húzását fejlesztik ki, hogy utánozzák a bél viselkedését. Továbbá a sejtek spontán villus morfogenezisen és differenciálódáson mennek keresztül, ami általánosítja a bélsejtek jellemzőit. A háromdimenziós bolyhos állvány alatt a sejtek nemcsak szaporodnak, hanem az anyagcsere-aktivitás is javul. 

A gut-on-a-chip használatának nagy hátránya, hogy betegségspecifikus modelleket hozzon létre, hogy kielégíti az in vitro modellek szükségességét a gyógyszerek tesztelésére, hogy elkerüljék az állatkísérleteket .

A szájon át történő beadás az egyik leggyakoribb gyógyszer -beadási módszer. Lehetővé teszi, hogy a betegek, különösen a járóbetegek, önellátják a gyógyszereket, minimális lehetőséggel az akut gyógyszerreakciók kialakulására, és a legtöbb esetben fájdalommentesen. A gyógyszer szervezetben kifejtett hatását azonban nagymértékben befolyásolhatja az első lépés hatása . A bél, amely fontos szerepet játszik az emberi emésztőrendszerben, meghatározza a gyógyszer hatékonyságát azáltal, hogy szelektíven elnyeli annak kémiai és biológiai tulajdonságait. Bár költséges és időigényes az új gyógyszerek kifejlesztése, az a tény, hogy a gut-on-a-chip technológia magas áteresztőképességet ér el, jelentősen csökkentette a kutatási és fejlesztési költségeket és az új gyógyszerekre fordított időt.

Gyulladásos bélbetegség (IBD) modellezése

Annak ellenére, hogy az IBD oka megfoghatatlan, az IBD patofiziológiája magában foglalja a bél mikrobiotáját . Az IBD kiváltásának jelenlegi módszerei gyulladásos jelek használatával aktiválják a Caco-2-t. Azt találtuk, hogy a bélhám csökkentette a gátfunkciót és megnövelte a citokin koncentrációját. A gut-on-a-chip lehetővé tette a gyógyszerek szállításának, felszívódásának és toxicitásának, valamint a patogenezis és a mikrokörnyezet kölcsönhatásainak tanulmányozásának lehetséges fejleményeinek értékelését.

A sugárzás okozta sejtkárosodás modellezése

A chipet az emberi sugárzás okozta bélsérülés modellezésére használták in vitro , mivel a sejtek és a szövetek szintjén is összefoglalta a sérüléseket. .

Lung-on-a-chip

Egy tüdő vázlatos rajza a chipen. A középső membrán vákuumban nyújtható a két oldalkamrában.
Fő cikk: Lung on chip

Lung-on-a-chipek tervezésekor annak érdekében, hogy javítsa a fiziológiai jelentőségét meglévő in vitro alveoláris - kapilláris felület modellek. Egy ilyen multifunkcionális mikrokészülék képes reprodukálni az emberi alveoláris-kapilláris interfész (azaz az élő tüdő alapvető funkcionális egysége) legfontosabb szerkezeti, funkcionális és mechanikai tulajdonságait.

Dongeun Huh a Wyss Intézet Biológiailag inspirált Engineering Harvard leírja azok gyártását egy olyan rendszer, amely két szorosan apposed mikrocsatornák elválasztva egy vékony (10 jim) porózus rugalmas membrán készült PDMS . A készülék nagyrészt három mikrofluidikus csatornát tartalmaz, és csak a középső tartja a porózus membránt. A membrán mindkét oldalán tenyésztősejteket növesztettünk: az egyik oldalon humán alveoláris hámsejteket, a másikon pedig humán tüdő mikrovaszkuláris endoteliális sejteket.

A csatornák felosztása nemcsak a levegő áramlását segíti elő folyadékként, amely sejteket és tápanyagokat juttat el a hám apikális felületére , hanem lehetővé teszi a nyomáskülönbségek fennállását a középső és az oldalsó csatornák között. Normális ihletet az embereké légzési ciklust , intrapleruális nyomás csökken, és ezzel egy kiterjesztése az alveolusok. Amikor a levegőt a tüdőbe húzzák, az alveoláris hám és a kapillárisokban összekapcsolt endotélium megfeszül. Mivel vákuum csatlakozik az oldalsó csatornákhoz, a nyomáscsökkenés hatására a középső csatorna kitágul, és így megnyúlik a pórusos membrán, majd a teljes alveoláris-kapilláris határfelület. A nyomás által vezérelt dinamikus mozgás a membrán nyújtása mögött, amelyet ciklikus mechanikai igénybevételnek is neveznek (körülbelül 10%), jelentősen növeli a nanorészecskék transzlokációjának sebességét a porózus membránon, összehasonlítva az eszköz statikus változatával, és egy Transwell -kultúrához.

Az eszköz biológiai pontosságának teljes körű érvényesítése érdekében ki kell értékelni az egész szervre adott válaszokat. Ebben az esetben a kutatók sérüléseket okoztak a sejtekben:
A tüdőgyulladásos válaszok többlépcsős stratégiát igényelnek, de a hámsejtek fokozott termelése és a citokinek korai válaszkibocsátása mellett az interfésznek nagyobb számú leukocita adhéziós molekulán kell átesnie . Huh kísérletében a tüdőgyulladást szimulálták egy erős proinflammatorikus mediátort tartalmazó táptalaj bevezetésével. Csak néhány órával a sérülés után a ciklikus törzsnek kitett mikrofluidikus eszközben lévő sejtek reagáltak a korábban említett biológiai válasznak megfelelően.
  • Tüdőfertőzés
Élő E-coli baktériumokat használtak annak bemutatására, hogy a rendszer akár utánozhatja a bakteriális tüdőfertőzésre adott veleszületett sejtválaszt . A baktériumokat az alveoláris hám apikális felületére juttattuk. Órákon belül neutrofileket észleltek az alveoláris rekeszben, vagyis áttelepültek az érrendszeri mikrocsatornából, ahol a porózus membrán fagocitálta a baktériumokat.

Ezenkívül a kutatók úgy vélik, hogy a tüdő-a-chip rendszer potenciális értéke segít a toxikológiai alkalmazásokban. A nanorészecskékre adott tüdőválasz vizsgálatával a kutatók abban reménykednek, hogy többet tudnak meg bizonyos környezeti egészségügyi kockázatokról, és kijavítják a korábban túlzottan leegyszerűsített in vitro modelleket. Mivel a mikrofluidikus tüdő a chipen pontosabban képes reprodukálni az élő emberi tüdő mechanikai tulajdonságait, fiziológiai válaszai gyorsabbak és pontosabbak lesznek, mint egy Transwell tenyésztési rendszer. Ennek ellenére a publikált tanulmányok elismerik, hogy a tüdő-a-chipen adott válaszok még nem reprodukálják teljesen a natív alveoláris hámsejtek válaszát.

Heart-on-a-chip

Az in vivo szívszöveti környezet megismétlésére tett korábbi erőfeszítések kihívásoknak bizonyultak a kontraktilitás és az elektrofiziológiai válaszok utánzásának nehézségei miatt . Az ilyen jellemzők nagyban növelnék az in vitro kísérletek pontosságát.

A mikrofluidika már hozzájárult a szívizomsejteken végzett in vitro kísérletekhez , amelyek elektromos impulzusokat generálnak, amelyek szabályozzák a pulzusszámot . Például a kutatók felépítettek egy sor PDMS mikrokamrát, amelyek érzékelőkkel és stimuláló elektródákkal vannak összehangolva, mint eszköz, amely elektrokémiailag és optikailag figyelemmel kíséri a kardiomiociták anyagcseréjét. Egy másik laboratórium a chipen hasonlóképpen egyesítette a PDMS mikrofluidikus hálózatát síkbeli mikroelektródákkal, ezúttal az egyedüli felnőtt egér kardiomiociták extracelluláris potenciáljának mérésére .

A heart-on-a-chip bejelentett tervezése azt állítja, hogy "hatékony eszközt adott a szerkezet-funkció kapcsolatok mérésére olyan konstrukciókban, amelyek megismétlik a lamináris szívizom hierarchikus szöveti architektúráját". Ez a chip meghatározza, hogy a szívszövetből összehúzódó összehúzódó készülékben lévő myocyták és a génexpressziós profil összehangolása (amelyet az alak és a sejtszerkezet deformációja befolyásol) hozzájárul a szív összehúzódásában keletkező erőhöz. Ez a szív-a-chipen egy biohibrid konstrukció: a tervezett anizotróp kamrai szívizom egy elasztomer vékony film .

Ennek a speciális mikrofluidikus eszköznek a tervezési és gyártási folyamata magában foglalja először az üvegfelület széleinek ragasztását szalaggal (vagy bármilyen védőfóliával), hogy az aljzat kívánt alakját kontúrozza. A centrifugális bevonással réteg PNIPA viszünk. Feloldódása után a védőfóliát lehúzzák, ami PNIPA önálló testet eredményez. Az utolsó lépések közé tartozik a PDMS védőfelület centrifugálása a fedőlemez fölött és kikeményedés. Az izomvékony filmek (MTF) lehetővé teszik a szívizom egyrétegű kialakítását egy vékony, rugalmas PDMS szubsztráton. A 2D sejtkultúra megfelelő beültetése érdekében mikrokontakt nyomtatási technikát alkalmaztak a fibronektin "téglafal" minta kihelyezésére a PDMS felületre. Miután a kamrai myocytákat a funkcionalizált szubsztrátra oltottuk, a fibronektin minta orientálta őket anizotróp egyréteg létrehozására.

Miután a vékony filmeket két sorba vágták téglalap alakú fogakkal, majd ezt követően az egész készüléket fürdőbe helyezték, az elektródák mezőstimuláció révén stimulálják a myocyták összehúzódását-így hajlítják a csíkokat/fogakat az MTF-ben. A kutatók összefüggést alakítottak ki a szöveti stressz és az MTF csíkok görbületi sugara között a kontraktilis ciklus során, validálva a demonstrált chipet, mint "platformot a stressz, az elektrofiziológia és a celluláris architektúra számszerűsítésére".

Míg a kutatók a 2D sejtkultúrákra összpontosítottak , a 3D sejtkonstrukciók jobban utánozzák az in vivo környezetet és az emberi szervezetben előforduló kölcsönhatásokat (pl. Sejt -sejt ). Ezért ígéretes modelleknek tekinthetők olyan vizsgálatokhoz, mint a toxikológia és a gyógyszerekre adott válasz . Alapján a tanulmány a Chen et al., A kölcsönhatások a billentyű endoteliális / intersticiális sejtek ( V EC-k / V IC ) is vizsgálták keresztül 3D PDMS - üveg mikrofluid eszköz egy felső csatornát folyt a V EC-k alatti nyírófeszültség , a membránt a egységes pórusokat, és egy alsó csatornát, amely V IC - hidrogélt tartalmaz . V EC-k ellenőrzik visszatartani a differenciálódás a morbid V IC myofibroblast , megerősített szuppressziót nyírófeszültség .

Egy másik PDMS 3D mikrofluidikus szív-a-chipen kialakítás szerint 10% és 15% közötti egytengelyű ciklikus mechanikus törzsek keletkeznek . A készülék tartalmaz egy sejttenyészet lógó üzenete között ketrecbe helyezési és működtetési rekesz állványzat üzenetét elkerülése kihajlás a PDMS , valamint a szívciklus nyomás jele utánzata. Az újszülött patkány mikromérnöki szívszövetei (μECT), amelyeket ez a kialakítás stimulált, javított szinkron verést, proliferációt , érést és életképességet mutatnak a stimulálatlan kontrollhoz képest. Az összehúzódás mértéke humán indukált pluripotens őssejt -eredetű szívizomsejtek (hiPSC-CM) figyelhető felgyorsítása 100-szor kevésbé izoprenalin , a szív-blokk kezelést, ha miután az elektromos ingerlés jelet (+ ES) képest, hogy anélkül, ES.

A 3D mikrofluidikus szív-on-a-chipek szintén megkönnyítették a szívbetegségek kutatását. Például a szív hipertrófiáját és a fibrózist a mechanikusan stimulált μECT-ek megfelelő biomarker szintjén keresztül vizsgálják, mint például az elsőnél a pitvari natriuretikus peptid (ANP ), az utóbbinál a transzformáló növekedési faktor (TGF-β). Ezenkívül az ischaemia ismereteit cselekvési potenciális megfigyelésekkel szerzik .

Vese a chipen

A vesesejteket és a nephronokat már mikrofluidikus eszközökkel szimulálták. "Az ilyen sejtkultúrák új betekintést nyújthatnak a sejtek és a szervek működésébe, és felhasználhatók a gyógyszerek szűrésére". A vese-a-chip eszköz képes felgyorsítani a kutatást, amely magában foglalja az elveszett veseműködés mesterséges pótlását . Manapság a dialízis megköveteli , hogy a betegek hetente legfeljebb háromszor menjenek klinikára. A szállíthatóbb és hozzáférhetőbb kezelési forma nemcsak a beteg általános egészségi állapotát javítaná (a kezelés gyakoriságának növelésével), hanem az egész folyamat hatékonyabbá és tolerálhatóbbá válna. A mesterséges vesekutatás arra törekszik, hogy innovatív tudományágak: mikrofluidika, miniatürizálás és nanotechnológia révén hordozhatóságot, hordhatóságot és esetleg implantációs képességet biztosítson az eszközökhöz.

Nephron-on-a-chip

A nephron a vese funkcionális egysége, és glomerulusból és csőszerű komponensből áll. Az MIT kutatói azt állítják, hogy olyan bioművészeti eszközt terveztek, amely megismétli a nephron glomerulusának, a proximalis csavart tubulusnak és a Henle -huroknak a funkcióját .

A készülék minden része egyedi kialakítású, általában két, mikroszálas rétegből áll, amelyeket membrán választ el. A mikrofluidikus készülék egyetlen bemeneti nyílását a belépő vérmintához tervezték . A nephron glomerulus szakaszában a membrán bizonyos vérrészecskéket enged át a kapilláris sejtek falán, amelyeket az endothel, az alapmembrán és a hám podociták alkotnak. A folyadékot, amelyet a kapilláris vérből Bowman térébe szűrnek, szűrletnek vagy primer vizeletnek nevezik .

A tubulusokban egyes anyagokat a szűrlethez adnak a vizeletképződés részeként, és néhány anyagot újra felszívnak a szűrletből és vissza a vérbe. Ezeknek a tubulusoknak az első szegmense a proximális tekercselt tubulus. Itt megy végbe a táplálkozás szempontjából fontos anyagok szinte teljes felszívódása. A készülékben ez a szakasz csupán egy egyenes csatorna, de a szűrletbe jutó vérrészecskéknek át kell menniük a korábban említett membránon és egy vese proximális tubulussejt -rétegen. A tubulusok második szegmense a Henle -hurok, ahol a víz és az ionok reabszorpciója történik a vizeletből. Az eszköz hurokcsatornái arra törekednek, hogy szimulálják a Henle hurok ellenáramú mechanizmusát . Hasonlóképpen, a Henle hurka számos különböző sejttípust igényel, mivel minden sejttípusnak külön szállítási tulajdonságai és jellemzői vannak. Ide tartoznak a leszálló végtagsejtek , a vékony felszálló végtagsejtek , a vastag felszálló végtagsejtek , a kortikális gyűjtőcsatorna -sejtek és a medullaris gyűjtőcsatorna -sejtek.

A fiziológiai nephron teljes szűrési és reabszorpciós viselkedését szimuláló mikrofluidikus eszköz érvényesítésének egyik lépése magában foglalja annak bemutatását, hogy a vér és a szűrlet közötti szállítási tulajdonságok azonosak a keletkezés helyével és a membrán által bejutott anyaggal kapcsolatban. Például a víz passzív szállításának nagy része a proximális tubulusban és a leszálló vékony végtagban történik, vagy a NaCl aktív transzportja nagyrészt a proximalis tubulusban és a vastag felszálló végtagban történik. Az eszköz tervezési követelményei szerint a glomerulusban a szűrési frakciónak 15-20%között kell lennie, vagy a szűrés reabszorpciójának a proximális csavart tubulusban 65-70%között kell lennie, és végül a vizelet karbamidkoncentrációjához (az egyik A készülék két kimenete) 200–400 mM között változhat.

Egy friss jelentés egy biomimikus nephronot mutat be a hidrogél mikrofluidikus eszközökön a passzív diffúzió funkciójának megállapításával. A nephron összetett élettani funkciója az erek és a tubulusok közötti kölcsönhatások alapján érhető el (mindkettő üreges csatorna). A hagyományos laboratóriumi technikák azonban általában a 2D struktúrákra összpontosítanak, mint például a Petri-csésze, amely nem képes a 3D-ben előforduló valódi élettan összegzésére. Ezért a szerzők kifejlesztettek egy új módszert funkcionális, sejtbéléses és perfúziós mikrocsatornák gyártására 3D hidrogélben. Az ér endothel és a vesehámsejteket a hidrogél mikrocsatornán belül tenyésztik, és sejtburkolatot képeznek az erek és a tubulusok utánzására. Konfokális mikroszkóppal vizsgálták egy kis szerves molekula (általában gyógyszerek) passzív diffúzióját az erek és a tubulusok között hidrogélben. A tanulmány bemutatja a regeneráló gyógyászatban és a gyógyszeres szűrésben a vese fiziológiáját utánzó előnyös lehetőségeket.

Máj-a-chip

A máj az anyagcsere egyik fő szerve , és összefügg a glikogén tárolással, a vörösvértestek lebontásával, bizonyos fehérje- és hormonszintézissel, valamint a méregtelenítéssel . Ezen funkciókon belül a méregtelenítő reakciója elengedhetetlen az új gyógyszerfejlesztéshez és a klinikai vizsgálatokhoz . Ezenkívül többfunkciós funkciói miatt a máj számos betegségre hajlamos, és a májbetegségek globális kihívássá váltak.

Áttekintés

A máj-a-chip eszközök mikrofluidikus technikákat alkalmaznak a májrendszer szimulálására, összetett májlebenyek utánzásával , amelyek a májfunkciókat is magukban foglalják. A chip-on-a-chip eszközök jó modellt nyújtanak ahhoz, hogy a kutatók viszonylag alacsony költséggel segítsenek a máj diszfunkcióján és patogenezisén. A kutatók primer patkány hepatocitákat és más nem parenchymás sejteket használnak. Ezt a kultiválási módszert alaposan tanulmányozzák, és bizonyítottan előnyös a hepatociták túlélési idejének meghosszabbításában, és támogatja a májspecifikus funkciók ellátását. Sok máj-a-chip rendszer poli (dimetil- sziloxán) (PDMS) rendszerből készül , több csatornával és kamrával, egyedi tervezés és cél alapján. A PDMS -t használják és népszerűvé vált, mivel viszonylag alacsony a nyersanyagára, és könnyen formázható mikrofluidikus eszközökhöz is.

Alkalmazások

Egy terv Kane et al. primer patkány hepatocitákat és 3T3-J2 fibroblasztokat tenyészt egy 8*8 elemes mikrofluidikus üregek sorában. Minden üreg két kamrára van osztva. Az elsődleges kamra patkány hepatocitákat és 3T3-J2 fibroblasztokat tartalmaz, és üvegből készült a sejtek tapadásához. Az elsődleges kamrák mindegyike egy mikrofluidikus hálózathoz csatlakozik, amely ellátja az anyagcsere -szubsztrátot és eltávolítja az anyagcsere -melléktermékeket. A PDMS 100 µm vastag membránja választja el az elsődleges és a másodlagos kamrát, lehetővé téve a másodlagos kamra csatlakoztatását egy másik mikrofluidikus hálózathoz, amely 37 ° C -os szobalevegőt 10% szén -dioxiddal átereszt, és légcserét eredményez a patkány hepatocitái számára. A karbamid és az egyensúlyi állapotú fehérje termelése bizonyítja ennek az eszköznek az életképességét a nagy áteresztőképességű toxicitási vizsgálatokban való használatra.

Egy másik terv Kang et al. tenyésztik az elsődleges patkány hepatocitákat és az endothelsejteket . Először egycsatornás készül. A hepatocitákat és az endothelsejteket ezután a készülékre ültetik, és közöttük egy vékony Matrigel réteg választja el őket . A metabolikus szubsztrát és a metabolikus melléktermékek megosztják ezt a csatornát, amelyet szállítani vagy eltávolítani kell. Később kétcsatornás készül, és az endothelsejteknek és a hepatocitáknak saját csatornái vannak a szubsztrát ellátására vagy a melléktermék eltávolítására. A karbamid termelése és a pozitív eredmény a hepatitisz B vírus (HBV) replikációs tesztjén azt mutatja, hogy képes a hepatotróp vírusok vizsgálatára.

Van még néhány alkalmazás a máj-on-a-chipen. Lu és mtsai. kifejlesztett egy májdaganat-on-a-chip modellt. A decellularized máj mátrix (DLM) -gelatin metakriloil- (GelMA) -alapú biomimetikus máj tumor -on-a-chip bizonyult egy megfelelő kialakítás további tumorellenes vizsgálatok. Zhou és mtsai. elemezte az alkoholsérüléseket a hepatocitákon, valamint a jelzést és a helyreállítást.

A liver-on-a-chip megmutatta, hogy nagy lehetőségei vannak a májhoz kapcsolódó kutatásokban. A máj-on-a-chip eszközök jövőbeni céljai egy reálisabb májkörnyezet összefoglalására összpontosítanak, beleértve a folyadékokban lévő reagenseket, a sejttípusokat, a túlélési idő meghosszabbítását stb.

Prostata-on-a-chip

A prosztata-a-chipen végzett kutatás általában a prosztata hámjának replikációjával foglalkozik, mivel a patológia feltárja, hogy ez a legtöbb esetben a karcinóma eredete. A hámszövet mikrofluidikus regenerációja lényegében a következő logikus lépés az egerekből izolált prosztatasejtekből a 2-dimenziós és 3-dimenziós humán sejttenyésztés evolúciójába. A PDMS fejlesztések lehetővé tették olyan mikrofluidikus rendszerek létrehozását, amelyek az állítható topográfia, valamint a gáz- és folyadékcsere előnyeit kínálják, valamint a mikroszkóppal történő könnyű megfigyelést.

A Grenoble Alpesi Egyetem kutatói olyan módszertant vázoltak fel, amely mikrofluidikus rendszert használ az életképes prosztatahám újratelepítésére. A megközelítés egy hengeres mikrocsatorna -konfigurációra összpontosít, amely utánozza az emberi szekréciós csatorna morfológiáját, amelyen belül a hám található. </ref> Különböző mikrocsatorna-átmérőket értékeltünk a sejtkultúrák sikeres promóciója érdekében, és megfigyeltük, hogy a 150-400 µm átmérők voltak a legsikeresebbek. Ezenkívül a sejtadhézió a kísérlet során is kitartott, annak ellenére, hogy a mikrofluidikus áramok változásai miatt fizikai stressz lépett fel.

Ezen konstrukciók célja a prosztata folyadék összegyűjtésének megkönnyítése, valamint a sejtek mikrokörnyezeti változásokra adott reakcióinak felmérése . Ezenkívül a prosztata a chipen lehetővé teszi az áttétek forgatókönyveinek helyreállítását, ami lehetővé teszi a gyógyszerjelöltek és más terápiás megközelítések értékelését. Ennek a módszernek a skálázhatósága a kutatók számára is vonzó, mivel az újrafelhasználható öntőforma megközelítés biztosítja az alacsony gyártási költséget.

Hajó a chipen

A szív- és érrendszeri megbetegedéseket gyakran a kis erek szerkezetének és működésének megváltozása okozza. Például a magas vérnyomás önmagában jelentett aránya azt sugallja, hogy ez az arány nő, mondja a Nemzeti Egészségügyi és Táplálkozási Vizsgálat 2003-as jelentése . Az artéria biológiai válaszát szimuláló mikrofluidikus platform nemcsak lehetővé tenné a szervalapú szűrések gyakoribb előfordulását a gyógyszerfejlesztési vizsgálat során, hanem átfogó megértést adhat a kis artériák kóros változásai mögött meghúzódó mechanizmusokról, és jobb kezelési stratégiákat dolgozhat ki. Axel Gunther, a Torontói Egyetem munkatársa szerint az ilyen MEMS -alapú eszközök potenciálisan segíthetnek a páciens mikrovaszkuláris állapotának felmérésében klinikai körülmények között ( személyre szabott gyógyszer ).

Az izolált rezisztencia erek (arteriolák és kis artériák, amelyek átmérője 30 µm és 300 µm között változik) belső tulajdonságainak vizsgálatára alkalmazott hagyományos módszerek közé tartozik a nyomásmiográfia technika. Az ilyen módszerek azonban jelenleg manuálisan képzett személyzetet igényelnek, és nem méretezhetők. Az artéria-a-chipen ezen korlátok közül többet is leküzdhet, ha az artériát olyan platformra helyezi, amely skálázható, olcsó és esetleg automatizált lesz a gyártásban.

A szerv alapú mikrofluidikus platformot laboratórium-chipként fejlesztették ki, amelyre egy törékeny eret lehet rögzíteni, lehetővé téve az artériás rezisztencia működését meghatározó tényezők meghatározását.

Az artéria mikrokörnyezetét a környező hőmérséklet, a transzmurális nyomás , valamint a luminális és abluminális gyógyszerkoncentrációk jellemzik . A mikrokörnyezetből származó többféle bemenet mechanikai vagy kémiai ingerek széles skáláját okozza a simaizomsejtekben (SMC) és az endothelsejtekben (EC), amelyek az ér külső és luminális falát szegélyezik. Az endoteliális sejtek felelősek az érszűkület és az értágító tényezők felszabadításáért , ezáltal a tónus módosításáért. Az erek tónusát az erek belsejében bekövetkező szűkület mértékének határozzák meg annak maximális átmérőjéhez képest. A kórokozó fogalmak jelenleg úgy vélik, hogy e mikrokörnyezet finom változásai kifejezett hatást gyakorolnak az artériás tónusra, és súlyosan megváltoztathatják a perifériás érrendszeri ellenállást . A tervezés mögött álló mérnökök úgy vélik, hogy egy különleges erő abban rejlik, hogy képes ellenőrizni és szimulálni a mikrokörnyezetben található heterogén tér -időbeli hatásokat, míg a miográfiai protokollok kialakításukból adódóan csak homogén mikrokörnyezetet hoztak létre . Bebizonyították, hogy a fenilefrinnek a két csatorna közül csak az egyiken keresztül történő szállításával, amely szuperfúziót biztosít a külső falakhoz, a gyógyszer felé néző oldal sokkal jobban összehúzódott, mint a gyógyszerrel szemben álló oldal.

Az artéria-a-chipen a minta reverzibilis beültetését tervezték. A készülék tartalmaz egy mikrocsatornás hálózatot, egy artéria terhelési területet és egy különálló artéria ellenőrzési területet. Van egy mikrocsatorna az artériás szegmens feltöltésére, és amikor a betöltő lyukat lezárják, perfúziós csatornaként is használják , hogy megismételjék az artériás vér tápláló bejuttatásának folyamatát a biológiai szövet kapilláris ágyába. Egy másik mikrocsatorna pár az artériás szegmens két végének rögzítésére szolgál. Végül az utolsó pár mikrocsatornát használjuk a szuperfúziós áramlási sebességek biztosítására, annak érdekében, hogy fenntartsuk a szerv fiziológiai és anyagcsere -aktivitását azáltal, hogy állandó fenntartó közeget juttatunk az abluminális falra. Egy termoelektromos fűtőelem és egy hőellenállás csatlakozik a chiphez, és fenntartják az élettani hőmérsékletet az artériák ellenőrzési területén.

A szövetminta vizsgálati zónába történő betöltésének és rögzítésének protokollja segít megérteni, hogy ez a megközelítés hogyan ismeri el a teljes szervműködést. Miután a szövetszegmenst a betöltőlyukba merítette, a betöltési folyamatot egy fecskendő hajtja, amely a pufferoldat állandó áramlási sebességét szívja le a betöltőcsatorna túlsó végén. Ez okozza az artéria szállítását a kijelölt pozíció felé. Ez zárt rögzítéssel és szuperfúziós be-/kimeneti vezetékekkel történik. A szivattyú leállítása után az egyik rögzítési csatornán keresztül atmoszférikus nyomás uralkodik. Ezután a betöltő kút lezárása után a második rögzítőcsatornát atmoszférikus nyomásnak teszik ki. Most az artéria szimmetrikusan helyezkedik el az ellenőrzési területen, és a szegmensben transzmurális nyomást érez. A fennmaradó csatornákat kinyitják, és az állandó perfúziót és szuperfúziót külön fecskendőszivattyúkkal állítják be.

A chip-edényeket számos betegségfolyamat tanulmányozására alkalmazták. Például Alireza Mashaghi és munkatársai kidolgoztak egy modellt a vírusos vérzéses szindróma tanulmányozására, amely magában foglalja a vírus okozta érrendszeri integritás elvesztését. A modellt az Ebola vírusos betegség és az Ebola elleni gyógyszerek tanulmányozására használták. 2021-ben a megközelítést a Lassa-láz modellezésére és az FX-06 peptid Lassa-vírusos betegségre gyakorolt ​​terápiás hatásainak bemutatására alakították ki .

Skin-on-a-chip

Az emberi bőr az első védelmi vonal számos kórokozóval szemben, és maga is számos betegségnek és problémának lehet kitéve, például rákos megbetegedések és gyulladások. A skin-on-a-chip (SoC) alkalmazások magukban foglalják a helyi gyógyszerek és kozmetikumok tesztelését, a bőrbetegségek és gyulladások patológiájának tanulmányozását , valamint „nem invazív, automatizált sejtes tesztek létrehozását ” az antigének vagy antitestek jelenlétének tesztelésére. kórokozó jelenlétét jelölik. A lehetséges alkalmazások széles skálája ellenére viszonylag kevés kutatás ment végbe a bőr-a-chip kifejlesztésében, sok más szerv-on-a-chip, például a tüdő és a vesék összehasonlításában. Olyan kérdések, mint a kollagén állványok leválasztása a mikrocsatornákról, a sejtek hiányos differenciálódása és a poli (dimetil-sziloxán) (PDMS) túlnyomó többsége az eszközgyártásban, amelyről kimutatták, hogy a vegyi anyagokat biológiai mintákba szivárogtatja, és nem lehet sorozatgyártás felület. További nehézséget jelent a sejttenyésztési állványok változékonysága, vagy az alapanyag, amelyben sejteket tenyésztenek, és amelyeket a bőrön forgó eszközökben használnak. Az emberi szervezetben ez az anyag extracelluláris mátrix néven ismert.

Az extracelluláris mátrix (ECM) elsősorban kollagénből áll, és különböző kollagén alapú állványokat teszteltek SoC modellekben. A kollagén a tenyésztés során hajlamos leválni a mikrofluidikus gerincről a fibroblasztok összehúzódása miatt . Egy tanulmány megkísérelte kezelni ezt a problémát úgy, hogy összehasonlította a kollagén állványok tulajdonságait három különböző állati forrásból: sertésbőrből, patkányfarkból és kacsa lábából. Más tanulmányok a kontrakció miatti leválási problémákkal is szembesültek, ami problémás lehet, tekintve, hogy a teljes bőr differenciálódásának folyamata akár több hétig is eltarthat. Az összehúzódási problémák elkerülhetők voltak, ha a kollagén állványokat fibrin alapú dermális mátrixra cserélték , amely nem összehúzódott. A mikrofluidikus tenyészetben a hagyományos statikus tenyészethez képest nagyobb differenciálódást és sejtrétegek képződését is jelentették, egyetértve a dinamikus perfúzió miatti javult sejt-sejt és sejt-mátrix kölcsönhatások korábbi megállapításaival, vagy az intersticiális tereken áthaladó nyomás hatására folyamatos médiaáramlás. Úgy gondolják, hogy ez a javult differenciálódás és növekedés részben a nyírófeszültség terméke, amelyet a folyadékáramlás következtében a mikrocsatorna mentén létrejövő nyomásgradiens hoz létre , ami szintén javíthatja a tápanyag -ellátást a közvetlenül a közeggel nem szomszédos sejtekben . A hagyományos bőr ekvivalensekben használt statikus kultúrákban a sejtek tápanyagokat csak diffúzió útján kapnak a közegben, míg a dinamikus perfúzió javíthatja a tápanyagáramlást az intersticiális tereken vagy a sejtek közötti réseken keresztül. Ez az perfúzió azt is kimutatta, hogy javítja a stratum corneum , az epidermisz kemény külső rétege szoros csomópont -képződését , ami a bőr felszíni rétegének behatolásának fő akadálya.

A dinamikus perfúzió a sejtek életképességét is javíthatja, amit egy kereskedelmi forgalomban kapható bőr ekvivalens mikrofilid platformba helyezésével bizonyítanak, amely több héttel meghosszabbította a várható élettartamot. Ez a korai tanulmány a szőrtüszők fontosságát is igazolta a bőr ekvivalens modellekben. A szőrtüszők az elsődleges utak a szubkután rétegbe a helyi krémek és egyéb, a bőr felületére felvitt anyagok esetében, ezt a tulajdonságot az újabb vizsgálatok gyakran nem vették figyelembe.

Egy tanulmány három rétegből, az epidermiszből , a dermiszből és az endoteliális rétegből álló, porózus membránokkal elválasztott SoC -t fejlesztett ki az ödéma , az extracelluláris folyadék felhalmozódása miatti duzzanat, a fertőzésre vagy sérülésre adott közös válasz és a sejtek helyreállításának alapvető lépéseinek tanulmányozására. Kimutatták, hogy a Dex gyulladásgátló tulajdonságokkal rendelkező szteroid krém előzetes alkalmazása csökkentette ezt a duzzanatot az SoC-ban.

Ember a chipen

A kutatók azon dolgoznak, hogy egy többcsatornás 3D mikrofluidikus sejttenyésztési rendszert hozzanak létre, amely felosztja azokat a mikrokörnyezeteket, amelyekben a 3D sejt aggregátumokat tenyésztik, hogy utánozzák a szervezet több szervét. A legtöbb szerv-on-a-chip modell ma csak egy sejttípust tenyészt, így annak ellenére, hogy érvényes modellek lehetnek a teljes szervfunkciók tanulmányozására, a gyógyszer szisztémás hatása az emberi szervezetre nem igazolt.

Különösen egy integrált sejttenyésztési analógot (µCCA) fejlesztettek ki, amely tüdősejteket, gyógyszert metabolizáló májat és zsírsejteket tartalmazott . A sejteket 2D folyadékhálózatba kötöttük a vérpótló anyagként keringő tápközeggel, ezáltal hatékonyan biztosítva a táplálkozási szállítási rendszert, miközben eltávolítottuk a hulladékokat a sejtekből. "A µCCA kifejlesztése megalapozta a reális in vitro farmakokinetikai modellt, és integrált biomimetikus rendszert biztosított több sejttípus tenyésztéséhez, nagy hűséggel az in vivo helyzetekhez" - állítja C. Zhang és mtsai. Kidolgoztak egy mikrofluidikus humán egy chipet, amely négy különböző sejttípust tenyészt, hogy utánozza négy emberi szervet: máj, tüdő, vese és zsír. A szabványos szérummentes tenyésztőközeg kifejlesztésére összpontosítottak , amely értékes lenne az eszközben található összes sejttípus számára. Az optimalizált szabványos médiumok általában egy adott sejttípust céloznak meg, míg az ember a chipen nyilvánvalóan közös közeget (CM) igényel. Valójában azt állítják, hogy azonosítottak egy olyan sejtkultúra CM -t, amely a mikrofluidikus eszköz összes sejtkultúrájának perfúziója során fenntartja a sejtek funkcionális szintjét. Az in vitro tenyésztett sejtek érzékenységének növelése biztosítja az eszköz érvényességét, vagy azt, hogy a mikrocsatornákba befecskendezett bármely gyógyszer azonos fiziológiai és metabolikus reakciót fog kiváltani a mintasejtekből, mint az emberek egész szervei.

Az ilyen típusú chipek szélesebb körű fejlesztésével a gyógyszergyárak potenciálisan képesek lesznek mérni az egyik szerv reakciójának a másikra gyakorolt ​​közvetlen hatását. Például a biokémiai anyagok szállítását át kell vizsgálni annak megerősítésére, hogy bár az egyik sejttípusnak előnyös lehet, nem veszélyezteti mások funkcióit. Valószínűleg már lehetséges nyomtatni ezeket az orgánumokat 3D nyomtatóval, de a költségek túl magasak. Az egész testre kiterjedő biomimetikus eszközök tervezése a gyógyszeripari vállalatok jelentős fenntartásával foglalkozik a szervek-chipeken, nevezetesen a szervek elkülönítésével kapcsolatban. Ahogy ezek az eszközök egyre hozzáférhetőbbé válnak, a tervezés összetettsége exponenciálisan növekszik. A rendszereknek hamarosan egyszerre kell biztosítaniuk a mechanikai zavarokat és a folyadékáramlást a keringési rendszeren keresztül . "Minden, ami dinamikus vezérlést igényel, nem csak statikus vezérlést, kihívást jelent" - mondja Takayama, a Michigani Egyetem munkatársa .

Az állatkísérletek helyettesítése

A gyógyszerfejlesztés korai szakaszában az állatmodellek voltak az egyetlen módja annak, hogy in vivo adatokat szerezzenek, amelyek megjósolják az emberi farmakokinetikai válaszokat. Az állatokon végzett kísérletek azonban hosszadalmasak, drágák és ellentmondásosak. Például az állatmodelleket gyakran olyan mechanikai vagy kémiai technikáknak vetik alá, amelyek szimulálják az emberi sérüléseket. Aggályok merülnek fel az ilyen állatmodellek érvényességével kapcsolatban is, a fajok közötti extrapoláció hiánya miatt. Ezenkívül az állatmodellek nagyon korlátozottan kontrollálják az egyes változókat, és nehézkes lehet bizonyos információk gyűjtése.

Ezért az emberi élettani válaszok utánzását in vitro modellben megfizethetőbbé kell tenni, és a biológiai kísérletekben fel kell ajánlani a sejtek szintjének szabályozását: a biomimetikus mikrofluid rendszerek helyettesíthetik az állatkísérleteket . A komplex szervi szintű kóros válaszokat reprodukáló MEMS-alapú biochipek kifejlesztése számos területen forradalmasíthatja, beleértve a toxikológiát, valamint az állatkísérleteken és klinikai kísérleteken alapuló gyógyszerek és kozmetikumok fejlesztési folyamatát .

A közelmúltban fiziológiás alapú perfúziós in vitro rendszereket fejlesztettek ki, hogy a sejttenyésztési környezetet közel hozzák az in vivo sejtkörnyezethez. A többkamrás perfúziós rendszereken alapuló új tesztplatformok figyelemre méltó érdeklődést mutattak a farmakológia és a toxikológia iránt. Célja, hogy az in vivo helyzethez közeli sejttenyésztési környezetet biztosítson az in vivo mechanizmusok vagy ADME folyamatok megbízhatóbb reprodukálására, amelyek magukban foglalják annak felszívódását, eloszlását, metabolizmusát és eliminációját. A perforált in vitro rendszerek és a kinetikus modellezés ígéretes eszközök a xenobiotikumok toxikokinetikájában részt vevő különböző folyamatok in vitro vizsgálatához.

Mikrogyártott sejttenyésztési rendszerek kifejlesztésére irányuló erőfeszítések, amelyek célja olyan modellek létrehozása, amelyek a lehető legszorosabban megismétlik az emberi test aspektusait, és példákat hoznak fel, amelyek bemutatják azok lehetséges felhasználását a gyógyszerfejlesztésben, például a szinergikus gyógyszerkölcsönhatások azonosítását, valamint a multi -szimulációt. -szervi anyagcsere kölcsönhatások. A többrekeszes mikrofolyadék-alapú eszközök, különösen azok, amelyek a fiziológiai alapú farmakokinetikai ( PBPK ) modellek fizikai ábrázolásai , amelyek a vegyületek tömegátadását jelentik az emlős test rekeszmodelljeiben , hozzájárulhatnak a gyógyszerfejlesztési folyamat javításához.

A matematikai farmakokinetikai (PK) modellek célja a koncentráció-idő profilok becslése az egyes szerveken belül a gyógyszer kezdeti dózisa alapján. Az ilyen matematikai modellek viszonylag egyszerűek lehetnek, és a testet egyetlen rekeszként kezelik, amelyben a gyógyszer eloszlása ​​gyors egyensúlyt ér el a beadás után. A matematikai modellek nagyon pontosak lehetnek, ha az összes érintett paraméter ismert. Azok a modellek , amelyek a PK vagy PBPK modelleket PD modellekkel kombinálják, megjósolhatják a gyógyszer időfüggő farmakológiai hatásait. Napjainkban a PBPK modellek segítségével szinte az első elvek alapján megjósolhatjuk az emberek bármely vegyi anyagának PK -ját . Ezek a modellek lehetnek nagyon egyszerűek, mint a statisztikai dózis-válasz modellek, vagy kifinomultak, és a rendszerbiológián alapulnak, a kitűzött cél és a rendelkezésre álló adatok szerint. Ezekhez a modellekhez csak a megfelelő molekulaparaméter -értékekre van szükségünk.

Mikrofluidikus sejttenyésztési rendszereket, például mikro -sejttenyésztési analógokat (μCCA -k) lehet használni a PBPK modellekkel együtt. Ezek a μCCA-k kicsinyített eszközök, más néven test-a-chip eszközök, többszöveti kölcsönhatásokat szimulálhatnak közel fiziológiai folyadékáramlási körülmények között, és reális szövet-szövet méretarányokkal. Az ezekkel a rendszerekkel kapott adatok felhasználhatók a mechanisztikus hipotézisek tesztelésére és finomítására. A mikrogyártó eszközök lehetővé teszik számunkra, hogy egyedi tervezésűek legyenek, és a szervek rekeszeit egymáshoz képest megfelelően méretezzük.

Mivel az eszköz állati és emberi sejtekkel is használható, megkönnyítheti a fajok közötti extrapolációt. A PBPK modellekkel együtt használva az eszközök lehetővé teszik a hatékony koncentrációk becslését, amelyek felhasználhatók állatmodellekkel végzett vizsgálatokhoz vagy az emberi válasz előrejelzéséhez. A többrészes eszközök fejlesztése során az emberi test ábrázolásai, például a használt PBPK modellek, irányíthatják az eszköz tervezését a kamrák és a folyadékcsatorna -kapcsolatok elrendezése tekintetében, hogy növeljék a gyógyszerfejlesztési folyamatot, ami nagyobb sikert eredményez klinikai vizsgálatok.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek