النظم الفيزيولوجية الدقيقة لإعادة تلخيص محور الأمعاء والكلى

لورا جيوردانو^1,3سيلفيا ماريا ميهيلا ،^1,3حسين إسلامي أمير آبادي ،^1,2وروزاليندي ماسيريو

مزمنالكلىيظهر المرض (CKD) عادةً جنبًا إلى جنب مع الأمراض المصاحبة الأخرى ، مما يبرز الفيزيولوجيا المرضية المعقدة الكامنة التي يُعتقد أنها يتم تعديلها إلى حد كبير بواسطة القناة الهضمية ثنائية الاتجاه.الكلىالحديث المتبادل. من خلال الجمع بين التقدم في هندسة الأنسجة ، والتصنيع ، والموائع الدقيقة ، وأجهزة الاستشعار الحيوية ، ظهرت النظم الفسيولوجية الدقيقة (MPSs) كنهج واعد لمحاكاة الترابط في المختبر لأعضاء متعددة ، مع معالجة قيود النماذج الحيوانية. تتطلب محاكاة الحالات الفسيولوجية (المرضية) لمحور الأمعاء والكلى في المختبر MPS الذي يمكنه محاكاة ليس فقط هذا الحديث المتبادل ثنائي الاتجاه المباشر ولكن أيضًا مساهمات المشاركين الفسيولوجيين الآخرين مثل الكبد والجهاز المناعي. نناقش التطورات الأخيرة في هذا المجال والتي من المحتمل أن تؤدي إلى نمذجة في المختبر لمحور الأمعاء والكلى في CKD.

اتصال:joanna.jia@wecistanche.com

يمنع Cistanche tubulosa أمراض الكلى ، انقر هنا للحصول على العينة

مرض الكلى المزمن: اضطراب استقلابي مع اضطراب في الإشارات بين الأعضاء وبين الكائنات الحية

مزمنالكلىالمرض (CKD) هو الأكثر انتشارًاالكلىالمرض ويتسم بالفقدان التدريجي لوظيفة العضو بمرور الوقت ، مما يضعف القدرة على ترشيح نفايات التمثيل الغذائي من الدم (الإطار 1). للكلى العديد من الوظائف المتخصصة للغاية ، مثل ترشيح الدم والإفراز النشط لإزالة النفايات الأيضية ، وإعادة امتصاص العناصر الغذائية الأساسية ، والحفاظ على حجم الدم واستتباب الكهارل ، ونشاط التمثيل الغذائي والغدد الصماء [1].

يُعتقد أن الفيزيولوجيا المرضية المعقدة والغامضة لـ CKD يتم تعديلها بواسطةالكلىالحديث المتبادل مع أعضاء وأنظمة متعددة ، لا سيما عن طريق الاتصال ثنائي الاتجاه بين الأعضاء مع الجهاز الهضمي ، والمشار إليه باسم محور الأمعاء والكلى [2]. تستوعب الأمعاء البشرية مجتمعًا معقدًا من الميكروبات التي تعيش في علاقة متكافئة مع مضيفها [3] وتوفر مساهمات مهمة وفريدة من نوعها في المستقلب البشري (انظر المسرد). في التعايش ، يضمن الامتصاص المعوي امتصاص المستقلبات الميكروبية المفيدة ، بينما تحافظ الكلى على التوازن عن طريق إفراز المنتجات الأيضية السامة المحتملة. على العكس من ذلك ، يؤدي الفشل الكلوي إلى تراكم المستقلبات المشتقة من الجراثيم المعوية (أي السموم اليوريمية) مما يؤدي إلى تطور متلازمة اليوريمي. تساهم هذه المضاعفات في دسباقتريوز القناة الهضمية التي تؤثر سلبًا على المسارات العصبية ، والغدد الصماء ، والعصبية المشاركة في ظهور مرض الكلى المزمن وتطوره (المربع 2 والشكل 1) [4]. بشكل عام ، يمكن اعتبار CKD اضطرابًا استقلابيًا يعكس التدفق المتقطع بين الأعضاء وبين الكائنات الحية من المستقلبات وجزيئات الإشارات المصحوبة بفرط نشاط الجهاز المناعي (الشكل 2). وبناءً على ذلك ، فإن الدور المركزي للإشارات البعيدة بين القناة الهضمية والكلية عن طريق السموم اليوريمية [5] يزيد من الحاجة إلى توصيف مستقلب الأمعاء في مرض الكلى المزمن.

تقليديا،الكلىاعتمدت أبحاث الأمراض إلى حد كبير على الدراسات السريرية [6] والحيوانية [7] التي توفر تحكمًا محدودًا في المعلمات التجريبية ولها تنوع كبير بين الأنواع. نظرًا لعدم وجود نماذج تجريبية مناسبة في المختبر ، هناك حاليًا حاجة ماسة لأنظمة زراعة الخلايا التي يمكنها التقاط الجوانب المختلفة لوظيفة الأعضاء في الجسم الحي من خلال استخدام بيئات زراعة دقيقة ومتخصصة ، بما في ذلك السقالات ثلاثية الأبعاد والمواد الدقيقة [8) ]. نظرًا للتقدم في الزراعة متعددة الخلايا والتصنيع الحيوي ، وتكامل ميزات المراقبة في الوقت الفعلي ، والتحكم المستقل في المعلمات التجريبية ، فإن التقاط تعقيدات علم وظائف الأعضاء البشرية في المختبر أمر في الأفق بالتأكيد. نحن نقدم نظرة عامة شاملة لأحدث التطورات في مجال النماذج ثلاثية الأبعاد في المختبر ونسلط الضوء على أهميتها لتطوير نظام ثلاثي الأبعاد لمحور الأمعاء والكلى ثنائي الاتجاه. نناقش أيضًا العقبات الرئيسية التي تنطوي عليها هذه ، وكيفية التغلب عليها ، ونقدم رؤى جديدة في الاتجاه الحالي لهذا المجال في سياق CKD.

النماذج الفيزيولوجية الدقيقة لكشف الترابطات المعقدة للأعضاء

أدى ظهور أنظمة علم الاجتماع بالميكروغرافيا (MPSs) ، والتي يشار إليها أيضًا باسم العضو على الرقائق (OOCs) ، إلى خلق إمكانيات جديدة لدراسة العمليات الفسيولوجية التي تنطوي عليها الأعضاء الفردية والحديث المتبادل بين الأعضاء. تظهر مجموعة من MPSs المتعددة المختلفة التي تدعم نهج "Physiome-on-a-chip" لمحاكاة الوحدات الوظيفية للأعضاء ، بالإضافة إلى الحديث المتبادل بينها ، بدلاً من استهداف إعادة إنتاج العضو (الأعضاء) بالكامل. من وجهة نظر فنية ، غالبًا ما تتكون MPS من قنوات ميكروية مفردة أو متعددة ذات أبعاد مقطعية لمئات الميكرومترات حيث يتم (إعادة) توزيع كميات صغيرة (نانوليتر إلى ميكرولتر). من خلال ضمان الاتصال الوثيق بين الخلايا ، تسمح هذه الأحجام بالتقاط تفاعل ديناميكي بين الخلايا الخلوية مع ضمان الحد الأدنى من استهلاك الكاشف والتخفيف المركب [9 ، 10]. يمكن للجريان الصفحي المضاف أن يمد الخلايا بالمغذيات الطازجة والأكسجين بشكل مستمر مع إزالة النفايات في نفس الوقت ، ويمكن أن يولد تدرجات كيميائية وميكانيكية زمانية مكانية دقيقة في المنطقة المجاورة لها [11]. يتم تحقيق العزل المادي لنظائر الأنسجة المختلفة من خلال التقسيم إلى قنوات دقيقة مفصولة بأغشية رقيقة مسامية أو طبقات من المصفوفة خارج الخلية (ECM) [12].

كان إنشاء منصة الرئة على الرقاقة ، حيث تم الجمع بين الإجهاد الميكانيكي وأنواع الخلايا المتعددة لتقليد تنفس الرئة ، رائدًا في تطوير MPSs المستوحاة بيولوجيًا [13]. منذ ذلك الحين ، أتاح التقدم في معالجة الموائع الدقيقة إمكانية توصيل نماذج أعضاء مختلفة والتحكم في الحديث المتبادل داخل جهاز واحد أو عدة أجهزة [14 ، 15]. تدفعنا التطورات الأخيرة في الميدان إلى مناقشة هذه التطورات فيما يتعلق بنمذجة القناة الهضمية -الكلىفي CKD واستكشاف متطلبات MPSs لدعم الاتصال بين الأعضاء ، مع الأخذ في الاعتبار أيضًا النهج التآزري للجمع بينها في نماذج silico.

في الطريق إلى تكرار محور الأمعاء والكلى باستخدام MPSs

تم إنشاء العديد من أنظمة القناة الهضمية من خلال دمج الموائع الدقيقة وهندسة الأنسجة والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة. من بين أكثر التكوينات تمثيلا ، نجحت القناة الهضمية من معهد Wyss (الولايات المتحدة الأمريكية) في محاكاة البيئة الميكروية المعوية البشرية الديناميكية من خلال تطبيق قوى ميكانيكية تشبه التمعج والسوائل ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية ، وهذا التمايز الخلوي المدعوم في الزغب - والهياكل الشبيهة بالشفرات ، وتشكيل طبقة أحادية سميكة من الظهارة ، ووظيفة خلوية محسّنة (الشكل 3 أ) [16-19]. في الآونة الأخيرة ، ظهرت السمات الطوبولوجية على أنها محورية في توجيه وظيفة الخلية ، ولكن القليل من الدراسات حاولت تكرار بنية الزغابات المشفرة في أنظمة ميكروفلويديك التي يمكن الآن الحصول عليها بسهولة من خلال الطباعة الحجرية المجسمة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة [20] ، والطباعة الحجرية الضوئية [21] ] ، والتشكيل الدقيق للهيدروجيلات المتشابكة [22]. في الوقت الحاضر ، تمت معالجة محاكاة الهياكل الشبيهة بالنبيبات المعوية عن طريق زراعة الخلايا المعوية على الجانب القمي من نظام غشاء ليفي مجوف قابل للانصهار [23 ، 24] أو في تجويف القنوات الدقيقة [25]. أدت إضافة طلاء ECM وزميل قمي أحادي الاتجاه إلى النمط الظاهري للنبيبات المعوية الناضجة مع هياكل تشبه الزغب. أدى التعرض لسموم المطثية العسيرة A ، وهو عامل ضراوة طبيعي في الأمعاء ومخرب للحاجز المعوي في dysbiosis ، أو إلى المستقلب المشتق من الجراثيم المعوية ، p-cresol ، إلى تعزيز نفاذية الحاجز [23 ، 24]. بالتزامن مع ذلك ، تم تحويل p-cresol إلى p-cresyl sulfate و p-cresyl glucuronide ، المستقلبات النهائية التي تتراكم في البلازما أثناء تطور CKD ، على الأرجح عن طريق التمثيل الغذائي السيتوكروم P 450- متبوعًا بالاقتران ، مما يبرز مساهمة الأمعاء إلى التحول الأحيائي من المستقلبات المشتقة من الجراثيم المعوية إلى سموم اليوريمي [23].

يمكن إعادة تلخيص تعقيد وتنوع الظهارة المعوية بشكل موثوق باستخدام أشباه عضوية ثلاثية الأبعاد للأنسجة البشرية [26 ، 27]. ومع ذلك ، فقد ثبت أن استخدامها صعب لأن تكوينها المغلق والخارجي يعيق دراسات النقل والتعرض للبكتيريا المتعايشة والممرضة. ومع ذلك ، أظهر ثورن وزملاؤه أنه من خلال التفكك الأنزيمي للعضويات ، كانت الخلايا المعوية الأولية قادرة على التنظيم الذاتي والعزل في مناطق غير متمايزة أو متباينة ، وتشكيل مقصورات شبيهة بالمواصفات [28]. من خلال دمج بطانة الأوعية الدموية الدقيقة المنفصلة المزروعة تحت تشوه زميل مستقل ودوري ، تم تقييم خصائص امتصاص هذه الخلايا [29،30]. في الآونة الأخيرة ، تم إثبات تضمين مجالات الزغابات الخفية في ظهارة على شكل أنبوب مع كل تجويف قابل للانصهار للحفاظ على ميزات نمط الخلية النمطية مع إمكانات التجدد الذاتي [31].

تم إعاقة الدراسة في المختبر لتفاعلات الكائنات الحية الدقيقة للمضيف بسبب عدم قدرة النماذج التقليدية على الحفاظ على الكائنات الحية الدقيقة المعقدة القابلة للحياة لعدة أيام. على الرغم من أن مساهمة طبقة المخاط في تفاعلات الميكروبيوم المضيف غالبًا ما يتم التغاضي عنها ، فقد ثبت مؤخرًا أن تكامل طبقة مخاطية سميكة - تعمل كحاجز فسيولوجي بين البكتيريا وظهارة الأمعاء - يمكن أن يؤخر تلف الحاجز ونفاذية الخلايا المجاورة [32،33]. وبناءً على ذلك ، فإن نموذج الموائع الدقيقة المتطور ، HuMiX ، مكّن الزراعة المباشرة للبكتيريا اللاهوائية والخلايا المعوية من خلال دمج طبقة مخاطية وظيفية بالإضافة إلى الزميل النابض والتحفيز الميكانيكي (الشكل 3 ب) [34].

غالبية ميكروبيوتا الأمعاء هي الكائنات اللاهوائية التي تتطلب ذلك<0.5% o2="" growth="" conditions="" that="" are="" difficult="" to="" represent="" in="" vitro="" [19,35].="" this="" limitation="" was="" overcome="" by="" engineering="" mpss="" that="" incorporate="" physiologic="" oxygen="" gradients="" and="" support="" the="" dynamic="" interaction="" between="" intestinal="" and="" vascular="" endothelial="" layers.="" the="" chip="" consisted="" of="" an="" upper="" anaerobic="" epithelial="" chamber="" and="" a="" lower="" aerobic="" endothelial="" chamber,="" separated="" by="" a="" polydimethylsiloxane="" (pdms)="" membrane.="" through="" a="" radial="" oxygen="" gradient="" generated="" by="" the="" system,="" intestinal="" cells="" were="" oxygenated="" whereas="" anaerobic="" conditions="" allowed="" microbiota="" growth,="" as="" assessed="" by="" real-time="" monitoring="" via="" integrated="" noninvasive="" oxygen="" sensors="" [19,36].="" similar="" physiological="" hypoxia="" conditions="" were="" achieved="" by="" zhang="" and="" coworkers="" who="" cocultured="" oxygen="" super-sensitive="" bacterial="" species="" using="" a="" differently="" designed="" mps,="" the="" gumi="" (figure="" 3c)="" [37].="" this="" platform="" induced="" a="" steep="" oxygen="" gradient="" through="" the="" addition="" of="" a="" long-term="" continuous="" fellow="" of="" anoxic="" apical="" medium="" and="" aerobic="" basal="" media.="" the="" use="" of="" polysulfone,="" which="" unlike="" pdms="" is="" an="" oxygen-impermeable="" material,="" prevented="" any="" oxygen="">

التطور لالكلىكانت أنظمة-on-a-chip صعبة أيضًا بسبب نقص الخلايا الوظيفية لإعادة تلخيص البنية متعددة الخلايا في المختبر والتعقيد الوظيفي داخل النيفرون. وفقًا لذلك ، بالنسبة إلى جهاز القناة الهضمية ، فإن تطورالكلىأنظمة-on-a-chip متخلفة إلى حد ما. حتى الآن ، تم تطوير نماذج من الفسيولوجيا الكبيبية ، والنبيبات القريبة ، والنبيبات البعيدة ، ولكن لا يزال يتعين تحقيق تكامل جميع المكونات في نيفرون كامل على رقاقة [38]. أن تكون ذات صلة من الناحية الفسيولوجية ، بالإضافة إلى التعقيد الخلوي ، كمحاكاة حيويةالكلى-على شريحة يجب أن تدمج (1) تفاعلات الخلية الخلوية مثل تلك بين الخلايا البودوسية أو الخلايا الظهارية الأنبوبية القريبة والبطانة الوعائية (الدقيقة) ، (2) تدرجات الضغط الكهروكيميائية والتناضحية عبر الخلايا التي تدفع السوائل والمستقلبات عبر الفضاء الخلالي ، (3) زميل السوائل ، و (4) الترتيب الهيكلي لأنابيب الكلى ، وكذلك (5) وظائف الأيض الخلوي والغدد الصماء [38].

يلعب النبيب القريب دورًا حاسمًا في التخلص من النفايات الأيضية وإعادة امتصاص الجزيئات الحيوية ، وبالتالي فقد كان محور اهتمام رئيسي في تطويرالكلىأنظمة على شريحة تلخص في الجسم الحيالكلىالانسجة. تطوير وظيفيالكلىالأنابيب التي تستخدم الخلايا الأنبوبية القريبة ذات الألياف المجوفة الوظيفية بيولوجيًا مكنت يانسن وزملاء العمل من دراسة التصفية الإفرازية للأيضات المشتقة من مجهريات البقعة المعوية. مكّن هذا النظام الباحثين من إثبات كيف ، من خلال الاستشعار عن بعد والإشارات ، تشعر الخلايا الأنبوبية القريبة بمستويات مرتفعة من كبريتات الإندوكسيل ، وبالتالي ضبط تعبير الناقلات المسؤولة عن إفرازها في محاولة للحفاظ على مستويات مستقلبات ثابتة وتوازن [39].

تتحكم التفاعلات البطانية - الفضاء الخلالي - الظهارة في التبادل المستمر للمذابات بين مقصورات الدورة الدموية والبول. نجح لين وزملاؤه في العمل في تطوير نبيب داني قريب وعائي ثلاثي الأبعاد سهل الاستخدام ، كان قادرًا على محاكاة وظيفة إعادة الامتصاص النشطة للمذابات عبر تبادل الأنابيب والأوعية الدموية.الكلى[40]. يسمح هذا النموذج بالكمية للحصول على شهادة امتصاص الألبومين في الكلى وإعادة امتصاص الجلوكوز بمرور الوقت ، مما يوفر أداة واعدة لفحص الوظائف الفسيولوجية للكلى (المرضية) وعلم الأدوية. بخلاف التبادل المذاب ، فإنالكلىتعتبر المساحة الخلالية أيضًا مركزية في تطويرالكلىفيبروزيس ، السمة المميزة لمرض الكلى المزمن. يُعتقد أن هذا ناتج عن تندب الفضاء الخلالي للنبيبات نتيجة لتفعيل الأرومة الليفية العضلية الخلالية وترسب ECM اللاحق. ومع ذلك ، أبلغت دراسات قليلة فقط عن اندماجها في أنظمة ثلاثية الأبعاد في المختبر. تم الإبلاغ عن التحقق من صحة نموذج بسيط وعالي الاستنساخ ثلاثي الأبعاد للأنابيب / البيئة المكروية الخلالي لدراسة التليف الكلوي في نظام فيزيولوجي مناسب في المختبر بواسطة Moll وزملاؤه [41]. استخدمت هذه الدراسة سيسبلاتين لتقليد الإصابة الأنبوبية الحادة بنجاح. تم تحقيق التكاثر في المختبر للنبيبات الكلوية / البيئة المكروية الخلالي باستخدام الخلايا الليفية الجلدية البشرية بدلاً من الأرومات الليفية الكلوية لأن السابقة تعبر عن مستويات منخفضة من العلامات الليفية تحت الظروف القاعدية. ومع ذلك ، على الرغم من هذا القيد ، أظهر النظام أن الخلايا الظهارية تلعب دورًا مركزيًا في تنشيط وتمايز الخلايا الليفية العضلية. حاول مول وزملاؤه تكرار هذه الدراسة باستخدام الخلايا الليفية الكلوية الأولية لكنهم واجهوا تباينًا كبيرًا في النتائج. نظرًا لأهمية المساحة الخلالية في CKD ، سيكون من الضروري إجراء المزيد من الدراسات ثلاثية الأبعاد في المختبر لتوضيح دورها في ظهور المرض وتطوره.

الالكلىأيضًا تنشيط 25 (OH) فيتامين د عن طريق الهيدروكسيل في الموضع 1 ، مما ينتج عنه 1،25 (OH) 2 فيتامين د ، وهو هرمون أساسي غالبًا ما يكون ناقصًا بين مرضى CKD ويمكن أن يؤثر على تكوين مجهريات البقعة المعوية وسلامة الحاجز. في الآونة الأخيرة ، تم تمثيل التمثيل الغذائي الكبدي والكلىتم تطوير تنشيط فيتامين د عن طريق نضح الوسط المحتوي على فيتامين د في شريحة ميكروفلويديك ، مما يشير إلى أن التفاعلات الأيضية المعقدة بين الأعضاء يمكن تحقيقها بشكل كبير باستخدام تقنيات MPS [42].

في مرض الكلى المزمن ، يُفترض أن الانخفاض في إنتاج الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFA) ، مكملًا بالزيادة المتزامنة في إنتاج السموم اليوريمي وتراكمها الجهازي [4] ، يؤدي إلى حالة الالتهاب المزمن التي هي نموذجية لمرض الكلى المزمن [4،43] ]. في الواقع ، فإن SCFAs ، وخاصة الزبدات ، لها تأثيرات واقية للكلى ووقائية معوية [4،44] ، وقد ارتبطت المستويات العالية من الزبدات بسلامة حاجز الأمعاء وتحسين مناعة الأمعاء نتيجة لخصائصه المضادة للالتهاب [45]. ومع ذلك ، تناقض هذا الأمر مؤخرًا من قبل Trapecar وزملاؤه الذين أظهروا ، في نهج المحاكاة النفسية ، أن SCFAs يمكن أن تؤدي إلى تفاقم الاستجابة الالتهابية في نموذج الأمعاء والكبد. من خلال ربط لوحين هوائيّين يمثلان القناة الهضمية والكبد بشكل منفصل ، يمكن لخلايا CD4 بالإضافة إلى T والخلايا الالتهابية من النوع 17 T (Th17) أن تنتشر داخل المقصورتين وبينهما. قد ترتبط التأثيرات المعاكسة لـ SCFAs بدرجة الالتهاب ، مع حالة الالتهاب المتزايدة التي تنتج تأثيرًا أكثر ضررًا [46].

على حد علمنا ، لا يوجد حاليًا MPS يعالج تأثيرات المستقلبات المشتقة من الأمعاء على القناة الهضمية ،الكلى، أو غيرها من الأجهزة ، مع ما يصاحب ذلك من تتبع لتحولها الأحيائي ، في سياق CKD. سيكون ضبط الشريحة لتلخيص ثنائية الاتجاه بإخلاص لتدفقات الإنتاج والإزالة من المستقلبات تحديًا. إن دمج الميكروبات المشتقة من عينات البراز لمرضى CKD في نظام ميكروفلويديك في الأمعاء سيمكننا من دراسة التغيرات في التمثيل الغذائي للميكروبات وتحليل آثارها المباشرة (in) على الأعضاء البعيدة ، وهي ميزة لا يمكن تحقيقها من خلال التجارب في الجسم الحي.

التقدم التكنولوجي تعزيز القيمة التحويلية في Vivo لـ MPS يعد تصميم MPS تحديًا ويتطلب نهجًا متعدد التخصصات. من المهم أن نلاحظ أنه لا يوجد MPS واحد يمكنه القيام بكل ذلك ، واعتمادًا على التطبيق ، قد تكون هناك حاجة إلى أنظمة مختلفة. مزايا وقيود الأنظمة المتاحة لمعالجة القناة الهضمية-الكلىيتم تلخيص المحور في الجدول 1. أحد أكثر التحديات شيوعًا في هذا المجال هو تصميم نظام معقد بيولوجيًا وبسيط تقنيًا بدرجة كافية ليتم إنشاؤه في مختبرات زراعة الخلايا.

قامت مجموعة Ingber (معهد Wyss ، الولايات المتحدة الأمريكية) بوضع بروتوكولات مُحسَّنة جيدًا لزراعة الخلايا ، وربط مكونات ميكروفلويديك بالرقاقة ، وأخذ العينات [16–18،47]. على الرغم من التقدم التكنولوجي ، فإن نظام الموائع الدقيقة الخاص بهم يتطلب تدريبًا كبيرًا من المشغلين غير التقنيين ، حتى بالنسبة لفحوصات الموائع الدقيقة التلقائية [47]. تعمل رقائق Pumpless multiorgan ، التي ابتكرها مختبر Shuler (جامعة كورنيل ، الولايات المتحدة الأمريكية) ، وكذلك شركات مثل Hesperos Inc. (الشكل 3E) و InSphero ، على زيادة الإنتاجية على حساب التحكم المحدود في تعقيد الزميل والجهاز [48] (https://hesperosinc.com/). على الرغم من محدودية تكرار الإشارات الفيزيائية الحيوية ، فإن MPS الذي طوره مختبر Griffith (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) يستخدم بروتوكولات أكثر تقليدية ، على سبيل المثال ، من خلال تمكين الوصول المباشر إلى تناظرية الأنسجة وباستخدام إدخالات Transwell القياسية المعدلة (الشكل 3 ج ، د) [37 ، 49].

طورت الشركات المبتكرة بالمثل منصات متعددة الأعضاء ، مثل TissUse® ، حيث تقوم مضخاتها على الرقاقة بتوصيل الأعضاء وتجعل النظام أقل عرضة لالتقاط الفقاعات والتسرب. ومع ذلك ، توفر هذه الأجهزة توجيهًا محدودًا للموائع الدقيقة ، على سبيل المثال ، يفتقر الزميل القمي في نموذج القناة الهضمية ، كما أن تخصيص نماذج الأنسجة أمر صعب.

التحدي الرئيسي الآخر هو مادة الرقائق. PDMS هي من بين المواد الأكثر استخدامًا بسبب نفاذية الأكسجين الممتازة والوضوح البصري وخصائص النماذج الأولية. ومع ذلك ، فإن نفاذية الأكسجين هي جانب سلبي عند زراعة الميكروبيوم اللاهوائي مع الخلايا المعوية [20،37]. في اختبار المركبات الكارهة للماء ، على سبيل المثال ، في دراسات سمية الأدوية أو فعاليتها ، لا ينصح باستخدام PDMS لأنه يمتص جزيئات صغيرة كارهة للماء. ومن ثم ، فإن MPSs المكونة من مواد أكثر خاملة ، والتي تمنع الارتباط غير المحدد للمركبات ، هي الأكثر موثوقية. على سبيل المثال ، طور إدينجتون وزملاؤه منصة موائع جزيئية قائمة على البوليسترين من MPSs المترابطة في محاولة لإعادة إنشاء فيزيوم على رقاقة يمكنه إنشاء ملفات تعريف توزيع جزيئي معقدة لتطبيقات اكتشاف الأدوية المتقدمة [50].

لقد سهّل تطوير المنصات المزودة بأجهزة استشعار مدمجة (أكسجين أو يوريا أو لاكتات أو جلوكوز) و / أو شفافية بصرية التحليلات الخلوية غير الغازية في الوقت الفعلي (الإطار 3) [51 ، 52]. تم مؤخرًا تطوير منصة مزودة باستشعار معياري متكامل تمامًا. يعمل هذا على تشغيل وحدات MPS بطريقة مستمرة وديناميكية وآلية ، ويتضمن مستشعرات مادية لمراقبة البيئة الدقيقة خارج الخلية ، وأجهزة استشعار كيميائية حيوية لقياس المؤشرات الحيوية القابلة للذوبان ، والمجاهر المصغرة لالتقاط التغييرات المورفولوجية ، ولوح توجيه الموائع الدقيقة لتوجيه السوائل في الوقت المناسب بطريقة [53].

التحليل الحسابي ضروري أيضًا لتحديد ما إذا كان يمكن استقراء البيانات التجريبية المشتقة من MPS في الأداء في الجسم الحي [54]. وبالتالي ، يجب أن يصبح تكامل خوارزميات التعلم الآلي (في نمذجة السيليكو) مكونًا استراتيجيًا في MPSs [55]. يمكن تعديل النموذج الحسابي للمساعدة في حل قيود MPSs المرتبطة تجريبياً وإدخال البيانات في نطاق الدراسات على الحيوانات وطرق الاستقراء [54]. يمكن للتنبؤات التي تم الحصول عليها من دراسات السيليكو أن توفر تغذية راجعة لزيادة تحسين نماذج MPS [55]. على سبيل المثال ، يمكن استخدام دراسات السيليكو لنمذجة حركية الخلايا المناعية بعد تلف الحاجز المعوي والتنبؤ بسلوك الخلية عند التعرض لمعايير محددة أو جزيئات حيوية [56-59].

ملاحظات ختامية وآفاق مستقبلية

على مدار القرن المقبل ، من المتوقع أن يزداد انتشار مرض الكلى المزمن بشكل كبير في جميع أنحاء العالم ، مما يشكل تحديات اقتصادية ومجتمعية كبيرة. بغض النظر عن بلد المنشأ ، وُجد أن تكاليف الرعاية الصحية والاجتماعية السنوية تزداد بالتوازي مع تطور مرض الكلى المزمن [60] ، مما يبرز الحاجة الملحة لمنصة نموذجية للمرض لدراسة الفيزيولوجيا المرضية لمرض الكلى المزمن وتحديد الأهداف العلاجية المحتملة.

ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من التحديات التي يتعين معالجتها ، ويجب حل العديد من القضايا قبل أن يتم تطوير MPSs التي نموذج CKD بدقة (انظر الأسئلة المعلقة). على سبيل المثال ، تظل الأحداث الأولية التي أدت إلى ظهور CKD غير معروفة ، مما يجعل نمذجة بداية CKD في MPS صعبة.الكلىتتنوع الإصابات التي تؤدي إلى تطور مرض الكلى المزمن في طبيعتها وغالبًا ما تنطوي على مكون قلبي وعائي ، مما يجعل تمثيلها أكثر صعوبة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكوين ميكروبيوم الأمعاء معقد ويصعب تكاثره ؛ ومع ذلك ، فهو مطلب أساسي لنموذج مرض الكلى المزمن. أصبحت أحدث التطورات الناجحة لـ MPSs التي تدمج البكتيريا اللاهوائية ممكنة من خلال دمج المستشعرات الحيوية لاستشعار الأكسجين ، وكذلك من خلال تضمين التدفقات الخاضعة للرقابة وطبقة المخاط التي تقلل من فرط نمو البكتيريا وتحد من تلف الخلايا المعوية (الجدول 1). ومع ذلك ، لا يزال يتعين تحقيق اتحادات البكتيريا اللاهوائية الواسعة داخل الأنظمة ، على الرغم من أن هذا سيكون ضروريًا للتمثيل الفسيولوجي لميكروبيوم الأمعاء. تمثل المشكلات المتعلقة بالمواد الامتصاصية ونفاذية الهواء أيضًا عقبة رئيسية في هذا المجال ، مما يمثل تحديًا لمدى ملاءمة الأنظمة لنمو البكتيريا اللاهوائية أو لاختبار المركبات المحبة للدهون. تم تسليط الضوء على أهمية الترابط بين الأعضاء بقوة في هذه المراجعة ؛ لذلك من الأهمية بمكان دمج أجهزة الدورة الدموية والجهاز المناعي داخل MPSs ، ولكن تم دمجها في نماذج قليلة فقط.

من خلال تعزيز تعدد التخصصات ، يمكن أن يؤدي دمج الطباعة الحيوية والمواد الحيوية وأجهزة الاستشعار الحيوية للمراقبة في الوقت الفعلي للبيئة المكروية إلى معالجة السمات التشريحية والكيميائية الحيوية ، فضلاً عن تعقيد الأنظمة اللازمة لزيادة أهميتها الفسيولوجية. مع تقدم تقنية MPS ، جنبًا إلى جنب مع الاتجاه الحالي نحو مناهج محسنة متعددة التخصصات ، ستتم معالجة هذه الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها في النهاية.

شكر وتقدير

تلقى هذا المشروع تمويلًا من برنامج الأبحاث والابتكار في EU Horizon 2020 بموجب اتفاقية منحة Marie Skłodowska Curie STRATEGY-CKD H 2020-2019- ETN (860329) ، بالإضافة إلى WIDESPREAD -05-2018- مكالمة TWINNING ريمودل (857491). تم دعم هذا العمل من قبل الهولنديينالكلىمؤسسة (DKF ، 17OI13). RM عضو في EUTox لمجموعة العمل المعتمدة من ESAO / ERA-EDTA.

مراجع

1. Himmelfarb، J. et al. (2020) المشهد الحالي والمستقبلي لغسيل الكلى. نات. القس نفرول. 16 ، 573-585

2. Evenepoel ، P. وآخرون. (2017) القناة الهضمية-الكلىمحور. بيدياتر. نفرول. 32 ، 2005-2014

3. De Sordi، L. et al. (2017) ميكروبيوتا الأمعاء يسهل الانجراف في التنوع الجيني وإصابة الفيروسات البكتيرية. ميكروب مضيف الخلية 22 ، 801-808

4. Rukavina Mikusic، NL et al. (2020) جراثيم الأمعاء والمزمنةالكلىالمرض: الأدلة والآليات التي تتوسط جديد

الاتصال في محور الجهاز الهضمي - الكلوي. قوس بفلوجرز. 472 ، 303-320

5. Nigam، SK and Bush، KT (2019) المتلازمة اليوريمية المزمنةالكلىالمرض: تغير في الاستشعار عن بعد والإشارات. نات. القس نفرول. 15 ، 301-316

6. أوكادا ، هـ وآخرون. (2020) النقاط الأساسية من إرشادات الممارسة السريرية المبنية على الأدلة للحالات المزمنةالكلىالمرض 2018. كلين. إكسب. نفرول. 23 ، 1-15

7. Becker، GJ and Hewitson، TD (2013) نماذج حيوانية مزمنةالكلىالمرض: مفيد ولكنه ليس مثاليًا. نفرول. يتصل. زرع اعضاء. 28 ، 2432-2438

8. فاريا ، ج. وآخرون. (2019)الكلى- نماذج مختبرية لاختبار السمية المستحثة بالأدوية. قوس. توكسيكول. 93 ، 3397–3418

9. بيبي ، دي جي وآخرون. (2002) فيزياء وتطبيقات الموائع الدقيقة في علم الأحياء. Annu. القس بيوميد. م. 4 ، 261-286

10. تشانغ ، ب وآخرون. (2018) التطورات في هندسة الأورغن على رقاقة. نات. القس ماطر. 3 ، 257-278

11. Lin، B. and Levchenko، A. (2015) التلاعب المكاني بالموائع الدقيقة. أمامي. بيونج. التكنولوجيا الحيوية. 3 ، 39

12. يم ، ك وآخرون. (2014) الأعضاء ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية على الرقائق. التكنولوجيا الحيوية. ياء 9 ، 16-27

13. هوه ، د. وآخرون. (2010) إعادة تكوين وظائف الرئة على مستوى الأعضاء على شريحة. Science 328، 1662–1668

14. Lee، SH and Sung، JH (2018) تقنية Organ-on-a-chip لإعادة إنتاج فسيولوجيا الأعضاء المتعددة. حال. هيلث ج. ماطر. 7 ، 1700419

15. Sung، JH et al. (2019) التطورات الحديثة في أنظمة Body-on-a-chip. شرجي. تشيم. 91 ، 330–351

16. Kim، HJ et al. (2012) أمعاء بشرية على رقاقة تسكنها نباتات جرثومية تختبر حركات وتدفق تشبه التمعج المعوي. رقاقة مختبر 12 ، 2165-2174

17. Kim، HJ and Ingber، DE (2013) تحث البيئة المكروية Gut-on-a-Chip الخلايا المعوية البشرية على الخضوع لتمايز الزغابات. عدد صحيح. بيول. (Camb) 5 ، 1130-1140

18. Kim، HJ et al. (2016) مساهمات الميكروبيوم والتشوه الميكانيكي في فرط نمو البكتيريا المعوية والتهاب في الأمعاء البشرية على رقاقة. بروك. ناتل. أكاد. علوم. USA 113، E7-E15

19. جليلي - فيروزنيزاد ، إس وآخرون. (2019) ميكروبيوم أمعاء بشري معقد مزروع في أمعاء لا هوائية على رقاقة. نات. بيوميد. م. 3 ، 520-531

20. Creff، J. et al. (2019) تصنيع السقالات ثلاثية الأبعاد التي تعيد إنتاج طبوغرافيا الظهارة المعوية بواسطة الطباعة الحجرية المجسمة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة. المواد الحيوية 221 ، 119404