Mikrofiziológiai rendszerek a bél-vese tengely összefoglalásához

Laura Giordano,^1,3Silvia Maria Mihaila,^1,3Hossein Eslami Amirabadi,^1,2és Rosalinde Masereeuw

KrónikusveseA betegség (CKD) jellemzően más társbetegségekkel együtt jelenik meg, kiemelve a mögöttes összetett patofiziológiát, amelyet a feltételezések szerint a kétirányú bélrendszer nagymértékben módosít.veseáthallás. A szövettechnológia, a gyártás, a mikrofluidika és a bioszenzorok terén elért eredmények ötvözésével a mikrofiziológiai rendszerek (MPS) ígéretes megközelítésekké váltak több szerv in vitro összekapcsolásának emulálására, miközben kezelik az állatmodellek korlátait. A bél-vese tengely (pato)fiziológiai állapotának in vitro utánzásához olyan MPS-re van szükség, amely nemcsak ezt a közvetlen kétirányú áthallást képes szimulálni, hanem más fiziológiai résztvevők, például a máj és az immunrendszer hozzájárulását is. Megvitatjuk a terület legújabb fejleményeit, amelyek potenciálisan a bél-vese tengely in vitro modellezéséhez vezethetnek CKD-ben.

Kapcsolatba lépni:joanna.jia@wecistanche.com

A Cistanche tubulosa megelőzi a vesebetegséget, kattintson ide a mintaért

Krónikus vesebetegség: Metabolikus zavar a szervközi és a szervezetközi jelátvitel megzavarásával

Krónikusvesebetegség (CKD) a legelterjedtebbvesebetegség, és a szervfunkciók idővel történő fokozatos elvesztése jellemzi, ami rontja a metabolikus salakanyagok vérből történő kiszűrésének képességét (1. doboz). A vesék számos speciális funkciót látnak el, mint például a vér szűrése és aktív szekréciója az anyagcsere-hulladék eltávolítására, az alapvető tápanyagok visszaszívása, a vértérfogat és az elektrolit homeosztázis fenntartása, valamint a metabolikus és endokrin aktivitás [1].

Úgy gondolják, hogy a CKD összetett és rejtélyes patofiziológiáját moduláljavesetöbb szervvel és rendszerrel való áthallás, különösen a gasztrointesztinális traktussal való kétirányú szervközi kommunikáció révén, amelyet bél-vese tengelynek neveznek[2]. Az emberi bélrendszer mikrobák komplex közösségének ad helyet, amelyek kommenzális kapcsolatban élnek gazdájukkal [3], és jelentős és egyedi hozzájárulást nyújtanak az emberi metabolomhoz (lásd a szószedetet). A szimbiózisban a bélből történő felszívódás biztosítja a hasznos mikrobiális metabolitok felvételét, míg a vesék a potenciálisan toxikus anyagcsere-végtermékek kiválasztásával tartják fenn a homeosztázist. Ezzel szemben a veseelégtelenség a bél mikrobiotából származó metabolitok (azaz urémiás toxinok) felhalmozódását eredményezi, ami urémiás szindróma kialakulásához vezet. Ez a szövődmény hozzájárul a bél dysbiosisához, amely hátrányosan befolyásolja a CKD kialakulásában és progressziójában szerepet játszó gyulladásos, endokrin és neurológiai utakat (2. doboz és 1. ábra)[4]. Összességében a CKD olyan anyagcsere-rendellenességnek tekinthető, amely a metabolitok és jelzőmolekulák szerv- és szervezetközi áramlását tükrözi, amelyet az immunrendszer túlzott aktiválódása kísér (2. ábra). Ennek megfelelően az urémiás toxinokon keresztüli bél-vese távjelzés központi szerepe [5] felveti a bél metabolómának további jellemzését a CKD-ben.

Hagyományosan,vesea betegségkutatás nagyrészt klinikai [6] és állatkísérleteken [7] támaszkodott, amelyek korlátozott mértékben szabályozzák a kísérleti paramétereket, és nagy a fajok közötti variabilitás. A megfelelő in vitro kísérleti modellek hiánya miatt jelenleg elengedhetetlenül szükség van olyan sejttenyésztő rendszerekre, amelyek képesek megragadni az in vivo szervműködés különböző aspektusait erősen ellenőrzött és speciális tenyésztési mikrokörnyezetek használatával, beleértve a 3D-s állványokat és a mikrofluidikákat [8]. ]. Tekintettel a többsejtű tenyésztés és biogyártás fejlődésére, a valós idejű monitorozási funkciók integrálására és a kísérleti paraméterek független szabályozására, minden bizonnyal a látókörben van az emberi fiziológia összetettségének in vitro megragadása. Átfogó áttekintést adunk a 3D in vitro modellek területén elért legemblematikusabb és legújabb fejleményekről, és kiemeljük azok relevanciáját a 3D kétirányú bél-vese tengelyrendszer kifejlesztésében. Megbeszéljük továbbá az ezekből adódó főbb akadályokat, leküzdésüket, és új betekintést nyújtunk e terület jelenlegi irányába a CKD összefüggésében.

Mikrofiziológiai modellek az összetett szervi kapcsolatok feltárására

A mikrográfiai szociológiai rendszerek (MPS), más néven organ-on-chip (OOC) megjelenése új lehetőségeket teremtett az egyes szervekben és a szervek közötti áthallásban részt vevő élettani folyamatok tanulmányozására. Különböző multi-MPS-ek sora van kialakulóban, amelyek alátámasztják a „fiziológiás egy chipen” megközelítést a szervek funkcionális egységeinek szimulálására, valamint a köztük lévő áthallásra, ahelyett, hogy a teljes szerv(ek) reprodukálására irányulnának. Technikai szempontból az MPS-ek gyakran egyetlen vagy több mikrofluidikus csatornából állnak, amelyek keresztmetszete több száz mikrométer, és amelyekben kis térfogatok (nanolitertől mikroliterig) keringenek (újra). A sejtek közötti szoros érintkezés biztosításával ezek a térfogatok lehetővé teszik a dinamikus sejt-sejt kölcsönhatás rögzítését, miközben biztosítják a minimális reagensfogyasztást és a vegyület hígítását [9,10]. A hozzáadott lamináris áramlás képes folyamatosan ellátni a sejteket friss tápanyagokkal és oxigénnel, miközben eltávolítja a salakanyagokat, és pontos tér-időbeli kémiai és mechanikai gradienseket tud létrehozni a közelükben [11]. A különböző szövetanalógok fizikai izolálása vékony porózus membránokkal vagy extracelluláris mátrix (ECM) rétegekkel elválasztott mikrocsatornákba való kompartmentalizálással érhető el [12].

A lung-on-a-chip platform létrehozása, amelyben mechanikus törzset és több sejttípust kombináltak a tüdő légzésének utánzásával, úttörő szerepet játszott a biológiailag inspirált MPS-ek kifejlesztésében [13]. Azóta a mikrofluidikus kezelés fejlődése lehetővé tette a különböző szervmodellek összekapcsolását és azok áthallásuk szabályozását egy vagy több eszközön belül [14,15]. A szakterületen elért legújabb fejlemények arra késztetnek bennünket, hogy megvitassuk ezeket az előrelépéseket a bélrendszer modellezésével kapcsolatban.vesetengelyt a CKD-ben, és vizsgálja meg az MPS-ek követelményeit a szervek közötti kommunikáció támogatására, figyelembe véve a sziliko modelleken belüli kombinálás szinergikus megközelítését is.

Útban a bél–vese tengely replikálásához MPS-ek segítségével

Számos gut-on-a-chip rendszert hoztak létre mikrofluidikai, szövetmérnöki és mikroelektromechanikai rendszerek integrálásával. A legreprezentatívabb konfigurációk közül a Wyss Institute (USA) gut-on-a-chip modellje sikeresen emulálta a dinamikus emberi bél mikrokörnyezetet fiziológiailag releváns folyadéktárs és perisztaltikához hasonló mechanikai erők alkalmazásával, és ezek támogatták a sejtbolyhokká történő differenciálódást. - és kriptaszerű struktúrák, vastag hám egyrétegű réteg kialakulása és fokozott sejtfunkció (3A. ábra) [16–19]. A közelmúltban a topológiai jellemzők kulcsfontosságú szerepet játszanak a sejtműködés irányításában, de csak néhány tanulmány próbálta megismételni a kriptabolyhos architektúrát mikrofluidikus rendszerekben, amelyek ma már könnyen beszerezhetők 3D-s nagyfelbontású sztereolitográfiával [20], fotolitográfiával [21]. ], valamint térhálósított hidrogélek mikroformázása [22]. Jelenleg a béltubulus-szerű struktúrák utánzása a bélsejtek tenyésztésével foglalkozik egy per olvadó üreges rostos membránrendszer apikális oldalán [23,24] vagy a mikrocsatornák lumenében [25]. Az ECM bevonat és az egyirányú apikális fickó hozzáadása egy érett intestinalis tubulus fenotípust eredményezett, boholyszerű struktúrákkal. A Clostridium difficile által szekretált toxin A, amely egy természetes béllakó virulenciafaktor és dysbiosis esetén a bélgát-bontó, vagy a bélmikrobióta eredetű metabolit, a p-krezol expozíciója fokozott gát permeabilitást eredményezett [23,24]. Ezzel egyidejűleg a p-krezol p-krezil-szulfáttá és p-krezil-glükuroniddá alakult, amelyek a plazmában felhalmozódó végmetabolitok a CKD progressziója során, valószínűleg citokróm P450--közvetítette metabolizmuson keresztül, amelyet konjugáció követ, így kiemelve a a bélben a bél mikrobiotából származó metabolitok urémiás toxinokká történő biotranszformációjához [23].

A bélhám összetettsége és változatossága megbízhatóan összefoglalható 3D humán szöveti organoidok használatával [26,27]. Használatuk azonban kihívást jelent, mivel zárt, kívülről beépített konfigurációjuk akadályozza a szállítási vizsgálatokat és a kommenzális és patogén baktériumoknak való kitettséget. Mindazonáltal Thorne és munkatársai kimutatták, hogy az organoidok enzimatikus disszociációja révén az elsődleges bélsejtek képesek voltak önszerveződni, és de novo differenciálatlan vagy differenciálódott régiókra szegregálódni, niche-szerű kompartmenteket alkotva [28]. Különálló mikrovaszkuláris endotélium integrálásával, amelyet független társ és ciklikus deformáció mellett tenyésztettünk, értékeltük e sejtek abszorpciós tulajdonságait [29,30]. A közelmúltban kimutatták, hogy a kripta-bolyhos domének bevonása egy cső alakú epitéliumba olvadó lumennel, hogy fenntartja a sztereotip sejtmintázatokat, amelyek önregenerációs potenciállal rendelkeznek [31].

A gazda-mikrobióta kölcsönhatások in vitro vizsgálatát hátráltatta, hogy a hagyományos modellek nem képesek több napig fenntartani egy életképes komplex mikrobiótát. Bár gyakran figyelmen kívül hagyták a nyálkahártya hozzájárulását a gazda-mikrobióm kölcsönhatásokhoz, a közelmúltban bebizonyosodott, hogy a vastag nyálkaréteg integrációja – amely fiziológiai gátként működik a baktériumok és a bélhám között – késleltetheti a gát károsodását és a paracelluláris permeabilitást. [32,33]. Ennek megfelelően a kifinomult mikrofluidikus modell, a HuMiX lehetővé tette az anaerob baktériumok és bélsejtek közvetlen együtttenyésztését funkcionális nyálkaréteg, valamint pulzáló társ és mechanikai stimuláció beépítésével (3B. ábra) [34].

A bél mikrobióta többsége kötelező anaerob, amelyre szükség van<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="">

A fejlődéseveseAz -on-a-chip rendszerek is kihívást jelentenek a funkcionális sejtek hiánya miatt, amelyek in vitro összefoglalják a nefron többsejtű szerkezetét és funkcionális komplexitását. Ennek megfelelően a gut-on-a-chip eszközhöz képest a fejlesztés aveseAz -on-a-chip rendszerek bizonyos mértékig le vannak maradva. A mai napig a glomeruláris, a proximális tubulus és a disztális tubulus fiziológiájának modelljeit fejlesztették ki, de az összes komponens integrálása egy teljes nephron-on-a-chipbe még várat magára [38]. Hogy élettanilag releváns legyen, a sejtkomplexitás mellett biomimetikumveseAz egy chipnek integrálnia kell (i) a sejt-sejt kölcsönhatásokat, például a podociták vagy a proximális tubulus epiteliális sejtek és a (mikro)vaszkuláris endotélium közötti interakciókat, (ii) a transzcelluláris elektrokémiai és ozmotikus nyomásgradienseket, amelyek a folyadékokat és a metabolitokat átvezetik intersticiális tér, (iii) folyadék társ és (iv) a vesetubulusok szerkezeti elrendezése, valamint (v) a celluláris metabolikus és endokrin funkciók [38].

A proximális tubulus döntő szerepet játszik az anyagcsere-hulladék kiválasztásában és a biomolekulák reabszorpciójában, ezért az érdeklődés középpontjában áll az in vitro kifejlesztésében.vese-on-a-chip rendszerek, amelyek összefoglalják in vivoveseszövet. A funkcionális fejlődésveseA biofunkcionalizált üreges rostokkal rendelkező proximális tubulussejteket használó tubulusok lehetővé tették Jansennek és munkatársainak, hogy tanulmányozzák a bél mikrobiotából származó metabolitok szekréciós kiürülését. Ez a rendszer lehetővé tette a kutatók számára annak bemutatását, hogy a proximális tubulussejtek távérzékelésen és jelátvitelen keresztül hogyan érzékelik az indoxil-szulfát emelkedett szintjét, és ennek megfelelően állítják be a kiválasztódásukért felelős transzporterek expresszióját a stabil metabolitszintek és a homeosztázis fenntartása érdekében [39].

Az endotélium-intersticiális tér-hám kölcsönhatások szabályozzák az oldott anyagok folyamatos cseréjét a keringési és vizeletrekesz között. Lin és munkatársai sikeresen kifejlesztettek egy perfundálható 3D-s vaszkularizált proximális tubulust, amely az oldott anyagok tubulus-érrendszeri cseréje révén képes volt szimulálni az aktív reabszorpciós funkciót.vese[40]. Ez a modell lehetővé teszi a vese albuminfelvételének és a glükóz reabszorpciójának időbeli igazolását, ígéretes eszközt kínálva a vese (pato)fiziológiai funkcióinak és farmakológiájának vizsgálatához. Az oldott anyagcsere kivételével aveseaz intersticiális teret is központi jelentőségűnek tartják a fejlődésébenvesefifibrosis, a CKD ismertetőjele. Úgy gondolják, hogy ezt a tubulus intersticiális tér hegesedése okozza az intersticiális myofibroblast aktiváció és az azt követő ECM lerakódás eredményeként. Mindazonáltal csak néhány tanulmány számolt be a 3D in vitro rendszerekbe történő integrációjáról. Moll és munkatársai egy egyszerű és nagymértékben reprodukálható 3D tubulus/interstitium mikrokörnyezeti modell validálásáról számoltak be a vesefifibrózis fiziológiailag releváns in vitro rendszerben történő vizsgálatára [41]. Ebben a tanulmányban ciszplatint használtak az akut tubuláris sérülés sikeres utánzására. A vesetubulus/interstitium mikrokörnyezet in vitro replikációját vesefibroblasztok helyett humán dermális fibroblasztok alkalmazásával érték el, mivel az előbbiek alacsony szintű fibrotikus markereket expresszálnak bazális körülmények között. Ennek ellenére a rendszer kimutatta, hogy az epiteliális sejtek központi szerepet játszanak a myofibroblasztok aktivációjának és differenciálódásának kiváltásában. Moll és munkatársai megpróbálták megismételni ezt a vizsgálatot primer vesefibroblasztok felhasználásával, de az eredmények nagy eltéréseket tapasztaltak. Tekintettel az intersticiális tér fontosságára a CKD-ben, további 3D in vitro vizsgálatokra lesz szükség a betegség kialakulásában és progressziójában betöltött szerepének tisztázására.

Azveseaktiválja a 25(OH)D-vitamint is az 1-es pozícióban történő hidroxilációval, ami az 1,25(OH)2D-vitamint eredményezi, amely esszenciális hormon, amely gyakran hiányzik a CKD-s betegeknél, és amely befolyásolhatja a bél mikrobiota összetételét és a gát integritását. A közelmúltban egy on-chip ábrázolása a máj anyagcseréjének ésveseA D-vitamin aktiválását úgy fejlesztették ki, hogy D-vitamint tartalmazó tápközeget mikrofluidikus chipbe perfundáltak, ami arra utal, hogy az MPS-technológiák segítségével nagymértékben elérhetők az összetett szervek közötti metabolikus kölcsönhatások [42].

CKD-ben a rövid láncú zsírsav (SCFA) termelés csökkenése, kiegészítve az urémiás toxintermelés egyidejű növekedésével és azok szisztémás felhalmozódásával [4], feltételezhetően a CKD-re jellemző krónikus gyulladásos állapotot idézi elő [4,43]. ]. Valójában az SCFA-k, különösen a butirát, mind vese-, mind bélvédő hatással rendelkeznek [4,44], és a butirát magas szintjét gyulladásgátló tulajdonságainak köszönhetően a bélgát integritásával és a bélrendszer immunitásának javulásával hozták összefüggésbe [45]. Ennek ellenére Trapecar és munkatársai nemrégiben ellentmondtak ennek, akik pszichomimetikus megközelítésben kimutatták, hogy az SCFA-k súlyosbíthatják a gyulladásos választ a bél-máj modellben. Két pneumatikus lemez összekapcsolásával, amelyek külön képviselik a beleket és a májat, CD4 plusz T-sejtek és gyulladásos típusú 17-es T-helper (Th17) sejtek keringhetnek a két kompartmenten belül és között. Az SCFA-k ellentétes hatásai korrelálhatnak a gyulladás mértékével, a fokozott gyulladásos állapot pedig károsabb hatást vált ki [46].

Tudomásunk szerint jelenleg nincs olyan MPS, amely a bélből származó metabolitok bélre gyakorolt ​​hatásait kezelné,vese, vagy más szervekben, biotranszformációjuk egyidejű nyomon követésével, a CKD összefüggésében. Kihívást jelent majd a chip hangolása, hogy hűen összefoglalja a metabolitok termelésének és eltávolításának kétirányúságát. A CKD-betegek székletmintáiból származó mikrobióta integrálása egy bél mikrofluidikus rendszerbe lehetővé tenné, hogy tanulmányozzuk a mikrobiális anyagcsere változásait, és elemezhessük azok távoli szervekre gyakorolt ​​(közvetett) hatását, amely tulajdonság in vivo kísérletekkel nem érhető el.

Technológiai fejlesztések Az MPS-ek in vivo transzlációs értékének növelése Az MPS tervezése kihívást jelent, és multidiszciplináris megközelítést igényel. Fontos megjegyezni, hogy egyetlen MPS sem képes mindezt megtenni, és az alkalmazástól függően különböző rendszerekre lehet szükség. A rendelkezésre álló rendszerek előnyei és korlátai a bélrendszer kezelésérevesetengelyt az 1. táblázat foglalja össze. A területen az egyik leggyakoribb kihívás egy olyan rendszer megtervezése, amely biológiailag összetett és technikailag kellően egyszerű ahhoz, hogy sejttenyésztő laboratóriumokban létrehozható legyen.

Az Ingber csoport (Wyss Institute, USA) jól optimalizált protokollokat hozott létre a sejttenyésztéshez, a mikrofluidikus komponensek chiphez való csatlakoztatásához és a mintavételhez [16–18,47]. Bár technológiailag fejlettek, mikrofluidikai rendszerük jelentős képzést igényel a nem műszaki kezelőktől, még az automatikus mikrofluidikai vizsgálatokhoz is [47]. A Shuler Laboratórium (Cornell Egyetem, USA), valamint a Hesperos Inc. (3E. ábra) és az InSphero által úttörő szivattyú nélküli többszerves chipek növelik az átviteli sebességet a társ és az eszköz bonyolultságának korlátozott kontrollja rovására [48]. (https://hesperosinc.com/). Bár a biofizikai jelek replikációja korlátozott, a Griffith laboratórium (Massachusetts Institute of Technology, USA) által kifejlesztett MPS hagyományosabb protokollokat használ, például lehetővé teszi a szövetanalóg közvetlen elérését és módosított szabványos Transwell® inszerteket (ábra). 3C, D) [37,49].

Az innovatív cégek hasonló módon fejlesztettek ki többszervi platformokat, például a TissUse®-t. Chipbe épített pumpáik összekötik a szerveket, és kevésbé teszik ki a rendszert a buborékok becsapódásának és szivárgásának. Ezek az eszközök azonban korlátozott mikrofluidikus útválasztást kínálnak, például hiányzik az apikális fickó a bélmodellben, és a szövetmodellek testreszabása nehézkes.

Egy másik nagy kihívás a forgács anyaga. A PDMS kiváló oxigénáteresztő képessége, optikai tisztasága és prototípus-készítő tulajdonságai miatt a leggyakrabban használt anyagok közé tartozik. Az oxigén permeabilitás azonban hátrányt jelent, ha az obligát anaerob mikrobiomot bélsejtekkel együtt tenyésztik [20,37]. Hidrofób vegyületek tesztelésekor, például gyógyszertoxicitási vagy hatásossági vizsgálatok során, a PDMS alkalmazása nem javasolt, mert elnyeli a kis hidrofób molekulákat. Ezért az inertebb anyagokból álló MPS-ek, amelyek megakadályozzák a vegyületek nem specifikus kötődését, a legmegbízhatóbbak. Edington és munkatársai például egy polisztirol alapú mikrofluidikus platformot fejlesztettek ki egymással összekapcsolt MPS-ekből, hogy megpróbáljanak újra létrehozni egy fiziológiás chipet, amely összetett molekuláris eloszlási profilokat tud létrehozni fejlett gyógyszerkutatási alkalmazásokhoz [50].

Az integrált érzékelőkkel (oxigén, karbamid, laktát vagy glükóz) és/vagy optikai átlátszósággal rendelkező platformok fejlesztése megkönnyítette a valós idejű noninvazív celluláris elemzést (3. doboz) [51,52]. A közelmúltban egy teljesen integrált moduláris érzékeléssel rendelkező platformot fejlesztettek ki. Ez folyamatosan, dinamikusan és automatizált módon működteti az MPS egységeket, és tartalmaz fizikai szenzorokat az extracelluláris mikrokörnyezet monitorozására, biokémiai érzékelőket az oldható biomarkerek mérésére, miniatűr mikroszkópokat a morfológiai változások rögzítésére, valamint egy mikrofluidikai útválasztó táblát a folyadékok időben történő irányítására. módon [53].

Számítógépes elemzésre van szükség annak megállapítására is, hogy az MPS-eredetű kísérleti adatok extrapolálhatók-e az in vivo teljesítményre [54]. Így a gépi tanulási algoritmusok integrációja (in silico modellezés) az MPS-ek stratégiai összetevőjévé kell, hogy váljon [55]. A számítási modell úgy módosítható, hogy segítsen megoldani a kísérletileg összekapcsolt MPS-ek korlátait, és az adatokat az állatkísérletek és extrapolációs módszerek körébe vonni [54]. Az in silico vizsgálatokból nyert előrejelzések visszajelzést adhatnak az MPS modellek további javításához [55]. Például in silico vizsgálatok alkalmazhatók az immunsejtek motilitásának modellezésére a bélgát károsodását követően, és a sejt viselkedésének előrejelzésére specifikus paraméterek vagy biomolekulák hatására [56–59].

Záró megjegyzések és jövőbeli kilátások

A következő évszázadban az előrejelzések szerint a krónikus vesebetegség előfordulása világszerte drasztikusan növekedni fog, ami jelentős gazdasági és társadalmi kihívásokat jelent. Származási országtól függetlenül az éves egészségügyi és társadalmi költségek a CKD progressziójával párhuzamosan növekednek [60], ami rávilágít arra, hogy sürgősen szükség van egy olyan betegségmodell-platformra, amelyben a CKD patofiziológiája tanulmányozható és lehetséges terápiás célpontok azonosíthatók.

Mindazonáltal sok kihívással kell még foglalkozni, és számos problémát meg kell oldani, mielőtt olyan MPS-eket lehetne kifejleszteni, amelyek pontosan modellezik a CKD-t (lásd: Rendkívüli kérdések). Például a CKD kialakulását előidéző ​​kezdeti események ismeretlenek maradnak, ami kihívást jelent a CKD kialakulásának modellezése MPS-ben.VeseA CKD kialakulásához vezető sérülések változatos természetűek, és gyakran kardiovaszkuláris komponenst is érintenek, ami még megnehezíti az ábrázolásukat. Ezenkívül a bél mikrobióma összetétele összetett, és nehéz reprodukálni; mindazonáltal elengedhetetlen követelmény a CKD betegség modelljéhez. Az anaerob baktériumokat integráló MPS-ek legújabb sikeres fejlesztéseit az oxigénérzékelő bioszenzorok integrálása, valamint a szabályozott áramlások és a nyálkaréteg beépítése tette lehetővé, amelyek csökkentik a baktériumok túlszaporodását és korlátozzák a bélsejtek károsodását (1. táblázat). A rendszereken belüli széles anaerob bakteriális konzorciumok kialakítása azonban még várat magára, bár ez szükséges lesz a bél mikrobióma fiziológiás ábrázolásához. Az abszorpciós és légáteresztő anyagokkal kapcsolatos problémák szintén komoly akadályt jelentenek a területen, megkérdőjelezve a rendszerek alkalmasságát anaerob baktériumok szaporodására vagy lipofil vegyületek tesztelésére. Ebben az áttekintésben erősen kiemelték a szervek összekapcsolásának fontosságát; ezért kulcsfontosságú a keringési és immunrendszer integrálása az MPS-ekbe, de ezeket csak néhány modellbe építették be.

Az interdiszciplinaritás fokozásával a bionyomtatás, a bioanyagok és a mikrokörnyezet valós idejű monitorozására szolgáló bioszenzorok integrálása kezelheti a rendszerek anatómiai és biokémiai jellemzőit, valamint a komplexitást, amelyek szükségesek fiziológiai relevanciájuk növeléséhez. Ahogy az MPS technológia fejlődik, a megerősített multidiszciplináris megközelítések jelenlegi tendenciája mellett ezek a megválaszolatlan kérdések végül megválaszolásra kerülnek.

Köszönetnyilvánítás

Ez a projekt az EU Horizont 2020 kutatási és innovációs programjából kapott finanszírozást a Marie Skłodowska Curie támogatási megállapodás STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329) keretében, valamint a WIDESPLARED-05-2018-TWINNING felhívás ÁTALAKÍTÁS (857491). Ezt a munkát a hollandok is támogattákVeseAlapítvány (DKF, 17OI13). Az RM tagja az ESAO/ERA-EDTA által jóváhagyott EUTox munkacsoportnak.

Hivatkozások

1. Himmelfarb, J. et al. (2020) A dialízis jelenlegi és jövőbeli tája. Nat. Rev. Nephrol. 16, 573–585

2. Evenepoel, P. et al. (2017) A bél –vesetengely. Pediatr. Nephrol. 32, 2005–2014

3. De Sordi, L. et al. (2017) A bél mikrobiota elősegíti a bakteriális vírusok genetikai sokféleségének és fertőzőképességének eltolódását. Cell Host Microbe 22, 801–808

4. Rukavina Mikusic, NL et al. (2020) A bél mikrobiota és krónikusvesebetegség: bizonyítékok és mechanizmusok, amelyek egy új

kommunikáció a gasztrointesztinális-vese tengelyben. Pflugers Arch. 472, 303–320

5. Nigam, SK és Bush, KT (2019): Krónikus urémiás szindrómavesebetegség: megváltozott távérzékelés és jelzés. Nat. Rev. Nephrol. 15, 301–316

6. Okada, H. et al. (2020) Lényeges pontok a bizonyítékokon alapuló klinikai gyakorlati irányelvekből krónikus betegségekreVeseBetegség 2018. Clin. Exp. Nephrol. 23., 1–15

7. Becker, GJ és Hewitson, TD (2013): A krónikus betegség állatmodelleivesebetegség: hasznos, de nem tökéletes. Nephrol. Tárcsa. Transzplantáció. 28, 2432–2438

8. Faria, J. et al. (2019)Vese- alapú in vitro modellek a gyógyszerek által kiváltott toxicitás tesztelésére. Boltív. Toxicol. 93, 3397–3418

9. Beebe, DJ et al. (2002) A mikrofluidika fizikája és alkalmazásai a biológiában. Annu. Rev. Biomed. Eng. 4, 261–286

10. Zhang, B. et al. (2018) Előrelépések az orgonagyártásban. Nat. Rev. Mater. 3, 257–278

11. Lin, B. and Levchenko, A. (2015) Spatial manipulation with microfluidics. Elülső. Bioeng. Biotechnol. 3, 39

12. Yum, K. et al. (2014) Fiziológiailag releváns szervek chipeken. Biotechnol. J. 9, 16–27

13. Huh, D. et al. (2010) Szervszintű tüdőfunkciók helyreállítása chipen. Tudomány 328, 1662–1668

14. Lee, SH és Sung, JH (2018) Organ-on-a-chip technológia a többszervi fiziológia reprodukálására. Adv. Healthc. Mater. 7, 1700419

15. Sung, JH et al. (2019) A body-on-a-chip rendszerek legújabb fejlesztései. Anális. Chem. 91, 330–351

16. Kim, HJ et al. (2012) Emberi bél a chipen, amelyet mikrobiális flóra lakik, amely bélperisztaltikához hasonló mozgásokat és áramlást tapasztal. Labor Chip 12, 2165–2174

17. Kim, HJ és Ingber, DE (2013) A Gut-on-a-Chip mikrokörnyezet arra készteti az emberi bélsejteket, hogy boholy-differenciálódáson menjenek keresztül. Egész szám. Biol. (Camb) 5, 1130–1140

18. Kim, HJ et al. (2016) A mikrobiom és a mechanikai deformáció hozzájárulása a bélbaktériumok túlszaporodásához és gyulladásához emberi bélben. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113, E7–E15

19. Jalili-Firoozinezhad, S. et al. (2019) Összetett emberi bélmikrobióma, amelyet anaerob bélben tenyésztettek chipen. Nat. Biomed. Eng. 3, 520–531

20. Creff, J. et al. (2019) A bélhám topográfiáját reprodukáló 3D állványok gyártása nagy felbontású 3D sztereolitográfia segítségével. Biomaterials 221, 119404