Bağırsak-Böbrek Eksenini Özetlemek İçin Mikrofizyolojik Sistemler

Laura Giordano,^1,3Silvia Maria Mihaila,^1,3Hüseyin Eslami Amirabadi,^1,2ve Rosalinde Masereeuw

Kronikböbrekhastalığı (KBH) tipik olarak diğer komorbiditelerin yanında ortaya çıkar ve çift yönlü bağırsak tarafından büyük ölçüde modüle edildiği düşünülen altta yatan karmaşık patofizyolojiyi vurgular.böbrekkarışma. Doku mühendisliği, üretim, mikroakışkanlar ve biyosensörlerdeki gelişmeleri birleştirerek, mikro fizyolojik sistemler (MPS'ler), hayvan modellerinin sınırlamalarını ele alırken, birden fazla organın in vitro ara bağlantısını taklit etmek için umut verici yaklaşımlar olarak ortaya çıkmıştır. Bağırsak-böbrek ekseninin (pato)fizyolojik durumlarını in vitro taklit etmek, yalnızca bu doğrudan çift yönlü karışmayı değil, aynı zamanda karaciğer ve bağışıklık sistemi gibi diğer fizyolojik katılımcıların katkılarını da simüle edebilen bir MPS gerektirir. KBH'de bağırsak-böbrek ekseninin in vitro modellenmesine potansiyel olarak yol açabilecek bu alandaki son gelişmeleri tartışıyoruz.

İletişim:joanna.jia@wecistanche.com

Cistanche tubulosa böbrek hastalığını önler, numuneyi almak için buraya tıklayın

Kronik Böbrek Hastalığı: Organlar Arası ve Organlar Arası Sinyalleşmenin Bozulduğu Bir Metabolik Bozukluk

Kronikböbrekhastalığı (KBH) en yaygın olanıdır.böbrekhastalık ve zamanla organ fonksiyonunun kademeli olarak kaybıyla karakterizedir, bu da metabolik atık ürünleri kandan filtreleme yeteneğini bozar (Kutu 1). Böbrekler, metabolik atıkların uzaklaştırılması için kanın filtrasyonu ve aktif salgılanması, temel besinlerin yeniden emilmesi, kan hacminin ve elektrolit homeostazının korunması ve metabolik ve endokrin aktivite gibi birçok özelleşmiş fonksiyona sahiptir [1].

CKD'nin karmaşık ve esrarengiz patofizyolojisinin aşağıdakiler tarafından modüle edildiği düşünülmektedir.böbreközellikle bağırsak-böbrek ekseni olarak adlandırılan gastrointestinal sistem ile organlar arası çift yönlü iletişim yoluyla çoklu organ ve sistemlerle karışma[2]. İnsan bağırsağı, ev sahibi ile ortak bir ilişki içinde yaşayan [3] ve insan metabolomuna önemli ve benzersiz katkılar sağlayan karmaşık bir mikrop topluluğunu barındırır (bkz. Sözlük). Simbiyozda, bağırsak absorpsiyonu faydalı mikrobiyal metabolitlerin alımını sağlarken, böbrekler potansiyel olarak toksik metabolik son ürünleri atarak homeostazı korur. Tersine, böbrek yetmezliği, üremik sendromun gelişmesine yol açan bağırsak mikrobiyota kaynaklı metabolitlerin (yani üremik toksinlerin) birikmesiyle sonuçlanır. Bu komplikasyon, KBH başlangıcı ve ilerlemesinde yer alan inflamatuar, endokrin ve nörolojik yolları olumsuz etkileyen bağırsak disbiyozuna katkıda bulunur (Kutu 2 ve Şekil 1)[4]. Genel olarak, CKD, bozulmuş organlar arası ve organizmalar arası metabolit akışını ve bağışıklık sisteminin aşırı aktivasyonunun eşlik ettiği sinyal moleküllerini yansıtan metabolik bir bozukluk olarak görülebilir (Şekil 2). Buna göre, üremik toksinler [5] yoluyla bağırsak-böbrek uzaktan sinyalleşmesinin merkezi rolü, CKD'de bağırsak metabolomunu daha fazla karakterize etme ihtiyacını artırmaktadır.

geleneksel olarakböbrekhastalık araştırmaları büyük ölçüde deneysel parametreler üzerinde sınırlı kontrol sunan ve türler arası yüksek değişkenliğe sahip klinik [6] ve hayvan çalışmalarına [7] dayanmaktadır. Uygun in vitro deneysel modellerin olmaması nedeniyle, şu anda 3D yapı iskeleleri ve mikroakışkanlar dahil olmak üzere yüksek düzeyde kontrollü ve özel kültür mikro ortamlarının kullanımı yoluyla in vivo organ fonksiyonunun farklı yönlerini yakalayabilen hücre kültürü sistemlerine zorunlu bir ihtiyaç vardır [8]. ]. Çok hücreli kültür ve biyo-üretimdeki ilerlemeler, gerçek zamanlı izleme özelliklerinin entegrasyonu ve deneysel parametrelerin bağımsız kontrolü göz önüne alındığında, insan fizyolojisinin karmaşıklıklarını in vitro olarak yakalamak kesinlikle görünürde. 3D in vitro modeller alanındaki en sembolik ve en son gelişmelere kapsamlı bir genel bakış sunuyoruz ve bunların 3D çift yönlü bağırsak-böbrek ekseni sisteminin geliştirilmesiyle olan ilgilerini vurguluyoruz. Ayrıca bunların beraberinde getirdiği başlıca engelleri, bunların nasıl üstesinden gelineceğini tartışıyor ve KBH bağlamında bu alanın mevcut yönüne yeni bakış açıları sunuyoruz.

Karmaşık Organ Bağlantılarını Çözmek İçin Mikrofizyolojik Modeller

Çipler üzerinde organ (OOC'ler) olarak da adlandırılan mikrografi sosyolojik sistemlerinin (MPS'ler) ortaya çıkışı, tek tek organlarda ve organlar arası karışmada yer alan fizyolojik süreçleri incelemek için yeni olanaklar yarattı. Organların fonksiyonel birimlerini simüle etmek için bir 'çip üzerinde fizyome' yaklaşımının yanı sıra, tüm organları yeniden üretmeyi hedeflemek yerine bunlar arasındaki karışmayı destekleyen bir dizi farklı çoklu MPS ortaya çıkıyor. Teknik açıdan, MPS'ler genellikle, küçük hacimlerin (nanolitreden mikrolitreye) (yeniden) sirküle edildiği yüzlerce mikrometrelik kesit boyutlarına sahip tek veya çoklu mikroakışkan kanallarından oluşur. Bu hacimler, hücreler arasında yakın temas sağlayarak, minimum reaktif tüketimi ve bileşik seyreltme sağlarken dinamik hücre-hücre etkileşiminin yakalanmasına izin verir [9,10]. Eklenen laminer akış, hücrelere sürekli olarak taze besin ve oksijen sağlarken aynı zamanda atık ürünleri de uzaklaştırabilir ve çevrelerinde doğru uzaysal-zamansal kimyasal ve mekanik gradyanlar oluşturabilir [11]. Farklı doku analoglarının fiziksel izolasyonu, ince gözenekli membranlar veya hücre dışı matris (ECM) katmanları ile ayrılmış mikro kanallara bölümlere ayırma yoluyla sağlanır [12].

Akciğer solunumunu taklit etmek için mekanik zorlanma ve çoklu hücre tiplerinin birleştirildiği çip üzerinde akciğer platformunun oluşturulması, biyolojik olarak ilham alan MPS'lerin geliştirilmesine öncülük etti [13]. O zamandan beri, mikroakışkan işlemedeki ilerleme, farklı organ modellerini bağlamayı ve bir veya birden fazla cihaz içinde karışmalarını kontrol etmeyi mümkün kılmıştır [14,15]. Bu alandaki en son gelişmeler, bağırsakların modellenmesiyle ilgili olarak bu gelişmeleri tartışmamıza neden oluyor.böbrekCKD'deki eksen ve organlar arası iletişimi desteklemek için MPS'lerin gereksinimlerini araştırın, ayrıca bunları silico modellerinde birleştirmenin sinerjik yaklaşımını da göz önünde bulundurun.

MPS Kullanarak Bağırsak-Böbrek Eksenini Kopyalama Yolunda

Mikroakışkanlar, doku mühendisliği ve mikroelektromekanik sistemlerin entegre edilmesiyle birkaç çip üzerinde bağırsak sistemi kurulmuştur. En temsili konfigürasyonlar arasında, Wyss Enstitüsü'nden (ABD) bir çip üzerinde bağırsak, fizyolojik olarak ilgili sıvı arkadaşı ve peristalsis benzeri mekanik kuvvetlerin uygulanması yoluyla dinamik insan bağırsak mikro-ortamını başarılı bir şekilde taklit etti ve bunlar hücre farklılaşmasını villusa destekledi. - ve kript benzeri yapılar, kalın bir epitelyal tek tabaka oluşumu ve gelişmiş hücresel fonksiyon (Şekil 3A) [16–19]. Son zamanlarda, topolojik özellikler hücre fonksiyonunu yönlendirmede çok önemli olarak ortaya çıkmıştır, ancak sadece birkaç çalışma, artık 3D yüksek çözünürlüklü stereolitografi [20], fotolitografi [21] yoluyla kolayca elde edilebilen mikroakışkan sistemlerde kript-villus mimarisini kopyalamaya çalışmıştır. ] ve çapraz bağlı hidrojellerin mikro kalıplanması [22]. Şu anda, bağırsak tübül benzeri yapıları taklit etmek, her eriyebilir içi boş fiber membran sisteminin apikal tarafında [23,24] veya mikro kanalların lümeninde [25] bağırsak hücrelerinin kültürlenmesiyle ele alınmıştır. Bir ECM kaplaması ve tek yönlü apikal arkadaşın eklenmesi, villus benzeri yapılara sahip olgun bir bağırsak tübül fenotipi ile sonuçlandı. Clostridium difficile salgılanan toksin A'ya, doğal bir bağırsak sakini virülans faktörü ve disbiyozda bağırsak bariyeri bozucusuna veya bağırsak mikrobiyotasından türetilen metabolite, p-kresol'e maruz kalma, bariyer geçirgenliğinin artmasıyla sonuçlanmıştır [23,24]. Eşzamanlı olarak, p-kresol, muhtemelen sitokrom P450-aracılı metabolizma ve ardından konjugasyon yoluyla, CKD ilerlemesi sırasında plazmada biriken son metabolitler olan p-kresil sülfat ve p-kresil glukuronide dönüştürülmüş, böylece bağırsak mikrobiyotasından türetilen metabolitlerin üremik toksinlere biyotransformasyonuna bağırsaktan [23].

Bağırsak epitelinin karmaşıklığı ve çeşitliliği, 3D insan dokusu organoidleri kullanılarak güvenilir bir şekilde özetlenebilir [26,27]. Bununla birlikte, kapalı, dıştan içe konfigürasyonları taşıma çalışmalarını ve ortak ve patojenik bakterilere maruz kalmayı engellediği için kullanımlarının zor olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, Thorne ve çalışma arkadaşları, organoidlerin enzimatik ayrışması yoluyla, birincil bağırsak hücrelerinin kendi kendini organize edebildiğini ve farklılaşmamış veya farklılaşmış bölgelere de novo ayrılarak niş benzeri bölmeler oluşturduğunu gösterdi [28]. Bağımsız dost ve döngüsel deformasyon altında kültürlenmiş ayrı bir mikrovasküler endotel entegre edilerek, bu hücrelerin absorpsiyon özellikleri değerlendirildi [29,30]. Son zamanlarda, eriyebilir lümen başına tüp şeklindeki bir epitelde kript-villus alanlarının dahil edilmesinin, kendi kendini yenileme potansiyeli olan stereotipik hücre desenleme özelliklerini sürdürdüğü gösterilmiştir [31].

Konak-mikrobiyota etkileşimlerinin in vitro çalışması, geleneksel modellerin birkaç gün boyunca yaşayabilir bir karmaşık mikrobiyota sürdürememesi nedeniyle engellenmiştir. Mukus tabakasının konak-mikrobiyom etkileşimlerine katkısı genellikle göz ardı edilmiş olsa da, son zamanlarda kalın bir mukus tabakasının entegrasyonunun - bakteri ve bağırsak epiteli arasında fizyolojik bir bariyer görevi görür - bariyer hasarını ve hücre dışı geçirgenliği geciktirebileceği gösterilmiştir. [32,33]. Buna göre, sofistike mikroakışkan modeli HuMiX, fonksiyonel bir mukus tabakasının yanı sıra pulsatil dost ve mekanik stimülasyonu dahil ederek anaerobik bakterilerin ve bağırsak hücrelerinin doğrudan birlikte kültürlenmesini sağladı (Şekil 3B) [34].

Bağırsak mikrobiyotasının çoğunluğu, gerekli olan zorunlu anaeroblardır.<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="">

Geliştirilmesiböbrek-on-a-chip sistemleri, nefron içindeki çok hücreli yapıyı ve fonksiyonel karmaşıklığı in vitro olarak özetlemek için işlevsel hücrelerin olmaması nedeniyle de zorlu olmuştur. Buna göre, çip üzerinde bağırsak aygıtına göre,böbrek-on-a-chip sistemleri bir dereceye kadar geride kalıyor. Bugüne kadar, glomerüler, proksimal tübül ve distal tübül fizyolojisinin modelleri geliştirilmiştir, ancak tüm bileşenlerin bir çip üzerinde tam bir nefron içine entegrasyonunun sağlanması gerekmektedir [38]. Hücresel karmaşıklığa ek olarak fizyolojik olarak alakalı olmak için, bir biyomimetikböbrek-on-a-chip, (i) podositler veya proksimal tübül epitel hücreleri ile (mikro)vasküler endotel arasındakiler gibi hücre-hücre etkileşimlerini, (ii) sıvıları ve metabolitleri hücre boyunca süren transselüler elektrokimyasal ve ozmotik basınç gradyanlarını entegre etmelidir. interstisyel boşluk, (iii) sıvı arkadaşı ve (iv) böbrek tübüllerinin yapısal düzenlemesinin yanı sıra (v) hücresel metabolik ve endokrin fonksiyonlar [38].

Proksimal tübül, metabolik atık atılımında ve biyomolekülün yeniden emiliminde çok önemli bir rol oynar ve bu nedenle in vitro gelişiminde önemli bir ilgi odağı olmuştur.böbrekin vivo özetlenen çip üzerinde sistemlerböbrekdoku. Fonksiyonel gelişimiböbrekBiyofonksiyonelleştirilmiş içi boş liflere sahip proksimal tübül hücreleri kullanan tübüller, Jansen ve iş arkadaşlarının bağırsak mikrobiyotasından türetilen metabolitlerin salgı klirensini incelemesini sağladı. Bu sistem, araştırmacıların, uzaktan algılama ve sinyalleme yoluyla, proksimal tübül hücrelerinin yüksek indoksil sülfat seviyelerini nasıl algıladığını ve buna göre, kararlı metabolit seviyelerini ve homeostazı sürdürmek amacıyla atılımlarından sorumlu taşıyıcıların ekspresyonunu nasıl ayarladığını göstermelerini sağladı [39].

Endotel-interstisyel boşluk-epitel etkileşimleri, dolaşım ve idrar bölmeleri arasındaki sürekli çözünen madde değişimini yönetir. Lin ve çalışma arkadaşları, tübül-vaskülatürdeki çözünen madde değişimi yoluyla aktif reabsorpsiyon fonksiyonunu simüle edebilen, perfüze edilebilir bir 3D vaskülarize proksimal tübül geliştirdiler.böbrek[40]. Bu model, böbrek (pato)fizyolojik fonksiyonları ve farmakolojiyi araştırmak için umut verici bir araç sunarak, zaman içinde böbrek albümin alımı ve glikoz yeniden emiliminin belgelenmesine izin verir. Bir çözünen değişimi dışında,böbrekinterstisyel alan da gelişimin merkezi olarak kabul edilir.böbrekCKD'nin ayırt edici özelliği olan fifibroz. Bunun, interstisyel miyofibroblast aktivasyonunun ve ardından ECM birikiminin bir sonucu olarak tübül interstisyel boşluğun skarlaşmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Bununla birlikte, sadece birkaç çalışma, 3D in vitro sistemlere entegrasyonunu bildirmiştir. Fizyolojik olarak ilgili bir in vitro sistemde böbrek fifibrozu çalışması için basit ve yüksek oranda yeniden üretilebilir bir 3D tübül/interstisyum mikro-ortam modelinin validasyonu Moll ve çalışma arkadaşları tarafından rapor edilmiştir [41]. Bu çalışmada, akut tübüler yaralanmayı başarılı bir şekilde taklit etmek için sisplatin kullanıldı. Renal tübül/interstisyum mikro-ortamının in vitro replikasyonu, renal fibroblastlar yerine insan dermal fibroblastları kullanılarak sağlandı, çünkü öncekiler bazal koşullar altında düşük seviyelerde fibrotik belirteçler ifade ediyor. Bununla birlikte, bu sınırlamaya rağmen sistem, epitel hücrelerinin miyofifibroblastların aktivasyonunu ve farklılaşmasını tetiklemede merkezi bir rol oynadığını göstermiştir. Moll ve çalışma arkadaşları, bu çalışmayı primer renal fibroblastları kullanarak tekrarlamaya çalıştılar ancak sonuçlarda büyük farklılıklarla karşılaştılar. CKD'de interstisyel boşluğun önemi göz önüne alındığında, hastalığın başlangıcı ve ilerlemesindeki rolünü aydınlatmak için daha fazla 3D in vitro çalışmalar gerekli olacaktır.

buböbreklerayrıca 25(OH)D vitaminini 1 konumunda hidroksilasyon yoluyla aktive ederek, KBH hastaları arasında sıklıkla eksik olan ve bağırsak mikrobiyota bileşimini ve bariyer bütünlüğünü etkileyebilen temel bir hormon olan 1,25(OH)2vitamin D ile sonuçlanır. Son zamanlarda, hepatik metabolizmanın çip üzerinde bir temsili veböbrekD vitamininin aktivasyonu, D vitamini içeren ortamın mikroakışkan bir çipe perfüze edilmesiyle geliştirilmiştir, bu da MPS teknolojileri kullanılarak karmaşık organlar arası metabolik etkileşimlerin yüksek oranda elde edilebileceğini düşündürmektedir [42].

CKD'de, üremik toksin üretimindeki eşzamanlı artış ve bunların sistemik birikimi ile tamamlanan kısa zincirli yağ asidi (SCFA) üretimindeki azalmanın [4], CKD'ye özgü kronik inflamatuar durumu yönlendirdiği varsayılmaktadır [4,43]. ]. Gerçekten de, SCFA'lar, özellikle butirat, hem nefroprotektif hem de bağırsak koruyucu etkilere sahiptir [4,44] ve yüksek bütirat seviyeleri, anti-inflamatuar özelliklerinin bir sonucu olarak bağırsak bariyeri bütünlüğü ve bağırsak bağışıklığı iyileştirmeleri ile ilişkilendirilmiştir [45]. Bununla birlikte, son zamanlarda Trapecar ve psikomimetik bir yaklaşımla SCFA'ların bir bağırsak-karaciğer modelinde inflamatuar bir yanıtı şiddetlendirebileceğini gösteren çalışma arkadaşları tarafından bu karşı çıktı. Bağırsak ve karaciğeri ayrı ayrı temsil eden iki pnömatik plakanın bağlanmasıyla, CD4 artı T hücreleri ve inflamatuar tip 17 T yardımcı (Th17) hücreleri, iki bölme içinde ve arasında dolaşabilir. SCFA'ların karşıt etkileri, daha zararlı bir etki üreten yüksek bir enflamatuar durumla birlikte, iltihaplanma derecesi ile ilişkili olabilir [46].

Bildiğimiz kadarıyla, şu anda bağırsaktan türetilen metabolitlerin bağırsak üzerindeki etkilerini ele alan hiçbir MPS yoktur.böbrekveya CKD bağlamında biyotransformasyonlarının eşzamanlı takibi ile diğer organlar. Üretimin çift yönlülüğünü ve metabolitlerin uzaklaştırma akışlarını sadık bir şekilde özetlemek için çipi ayarlamak zor olacaktır. KBH hastalarının dışkı örneklerinden elde edilen mikrobiyotayı bir bağırsak mikroakışkan sistemine entegre etmek, mikrobiyal metabolizmadaki değişiklikleri incelememize ve bunların uzak organlar üzerindeki (in) dolaylı etkilerini analiz etmemize olanak tanıyacaktır, bu, in vivo deneylerle elde edilemeyen bir özelliktir.

MPS'lerin In Vivo Translasyonel Değerini Artıran Teknolojik Gelişmeler Bir MPS tasarlamak zorludur ve multidisipliner bir yaklaşım gerektirir. Tek bir MPS'nin hepsini yapamayacağını ve uygulamaya bağlı olarak farklı sistemler gerekebileceğini belirtmek önemlidir. Bağırsakla mücadele için mevcut sistemlerin avantajları ve sınırlamaları–böbrekeksen Tablo 1'de özetlenmiştir. Alandaki en yaygın zorluklardan biri, biyolojik olarak karmaşık ve hücre kültürü laboratuvarlarında kurulacak teknik olarak yeterince basit bir sistem tasarlamaktır.

Ingber grubu (Wyss Institute, ABD) hücre kültürü, mikroakışkan bileşenleri çipe bağlama ve örnekleme için iyi optimize edilmiş protokoller oluşturmuştur [16–18,47]. Teknolojik olarak gelişmiş olmalarına rağmen, mikroakışkan sistemleri, otomatik mikroakışkan deneyleri için bile teknik olmayan operatörlerin önemli bir eğitimini gerektirir [47]. Shuler laboratuvarının (Cornell Üniversitesi, ABD) yanı sıra Hesperos Inc. (Şekil 3E) ve InSphero gibi şirketler tarafından öncülük edilen pompasız çoklu organ çipleri, diğer ve cihaz karmaşıklığı üzerinde sınırlı kontrol pahasına verimi artırır [48] (https://hesperosinc.com/). Biyofiziksel ipuçlarını kopyalamada sınırlı olmasına rağmen, Griffith laboratuvarı (Massachusetts Institute of Technology, ABD) tarafından geliştirilen MPS, örneğin doku analoğuna doğrudan erişim sağlayarak ve değiştirilmiş standart Transwell® eklerini kullanarak daha geleneksel protokollerden yararlanır (Şekil 3C, D) [37,49].

Yenilikçi şirketler benzer şekilde TissUse® gibi çoklu organ platformları geliştirdiler. Çip üzerindeki pompaları organları birbirine bağlar ve sistemi kabarcık sıkışması ve sızıntıya daha az eğilimli hale getirir. Bununla birlikte, bu cihazlar sınırlı mikroakışkan yönlendirme sunar, örneğin, bağırsak modelindeki apikal arkadaş eksiktir ve doku modellerinin özelleştirilmesi zordur.

Diğer bir önemli zorluk ise çip malzemesidir. PDMS, mükemmel oksijen geçirgenliği, optik netliği ve prototipleme özellikleri nedeniyle en sık kullanılan malzemeler arasındadır. Bununla birlikte, oksijen geçirgenliği, zorunlu anaerob mikrobiyomun bağırsak hücreleriyle birlikte kültürlenmesi sırasında bir dezavantajdır [20,37]. Hidrofobik bileşiklerin test edilmesinde, örneğin ilaç toksisitesi veya etkinlik çalışmalarında, küçük hidrofobik molekülleri emdiği için PDMS önerilmez. Bu nedenle, bileşiklerin spesifik olmayan bağlanmasını önleyen daha inert malzemelerden oluşan MPS'ler en güvenilir olanlardır. Örneğin, Edington ve çalışma arkadaşları, gelişmiş ilaç keşif uygulamaları için karmaşık moleküler dağılım profilleri oluşturabilen bir çip üzerinde bir fizyomu yeniden oluşturmak amacıyla polistiren bazlı bir mikroakışkan platformu geliştirdiler [50].

Entegre sensörlere (oksijen, üre, laktat veya glikoz) ve/veya optik şeffaflığa sahip platformların geliştirilmesi, gerçek zamanlı invazif olmayan hücresel analitiği kolaylaştırmıştır (Kutu 3) [51,52]. Tam entegre modüler algılamaya sahip bir platform yakın zamanda geliştirilmiştir. Bu, MPS ünitelerini sürekli, dinamik ve otomatik bir şekilde çalıştırır ve hücre dışı mikro ortamı izlemek için fiziksel sensörler, çözünür biyobelirteçleri ölçmek için biyokimyasal sensörler, morfolojik değişiklikleri yakalamak için minyatür mikroskoplar ve sıvıları zamanında yönlendirmek için bir mikroakışkan yönlendirme devre tahtası içerir. şekilde [53].

MPS'den türetilen deneysel verilerin in vivo performansa göre tahmin edilip edilemeyeceğini belirlemek için hesaplamalı analiz de gereklidir [54]. Bu nedenle, makine öğrenme algoritmalarının entegrasyonu (in silico modelleme), MPS'lerin stratejik bir bileşeni haline gelmelidir [55]. Hesaplamalı model, deneysel olarak bağlantılı MPS'lerin sınırlamalarını çözmeye yardımcı olmak ve verileri hayvan çalışmaları ve ekstrapolasyon yöntemleri aralığı içine getirmek için ayarlanabilir [54]. In silico çalışmalardan elde edilen tahminler, MPS modellerini daha da geliştirmek için geri bildirim sağlayabilir [55]. Örneğin, in silico çalışmaları, bağırsak bariyeri hasarını takiben immün hücre motilitesini modellemek ve spesifik parametrelere veya biyomoleküllere maruz kalma üzerine hücre davranışını tahmin etmek için kullanılabilir [56-59].

Son Sözler ve Geleceğe Bakış

Önümüzdeki yüzyılda, KBH prevalansının dünya çapında önemli ölçüde artacağı ve önemli ekonomik ve toplumsal zorluklar ortaya çıkaracağı tahmin edilmektedir. Menşe ülke ne olursa olsun, yıllık sağlık bakımı ve toplumsal maliyetlerin KBH'nin ilerlemesine paralel olarak arttığı bulunmuştur [60], bu da KBH patofizyolojisinin çalışılacağı ve potansiyel terapötik hedeflerin belirleneceği bir hastalık modeli platformuna olan acil ihtiyacı vurgulamaktadır.

Yine de, ele alınması gereken birçok zorluk var ve CKD'yi doğru bir şekilde modelleyen MPS'ler geliştirilmeden önce birkaç sorunun çözülmesi gerekiyor (bkz. Olağanüstü Sorular). Örneğin, CKD'nin başlangıcını yönlendiren ilk olaylar bilinmezliğini koruyarak MPS'de CKD başlangıcının modellenmesini zorlaştırmaktadır.BöbrekKBH gelişimine yol açan yaralanmalar doğası gereği çeşitlidir ve genellikle kardiyovasküler bir bileşen içerir ve bu da temsillerini daha da zorlaştırır. Ek olarak, bağırsak mikrobiyomunun bileşimi karmaşıktır ve çoğaltılması zordur; yine de, bir KBH hastalığı modeli için temel bir gerekliliktir. Anaerobik bakterileri entegre eden MPS'lerin en son başarılı gelişmeleri, oksijen algılama için biyosensörlerin entegrasyonunun yanı sıra kontrollü akışların ve bakteri aşırı büyümesini azaltan ve bağırsak hücre hasarını sınırlayan bir mukus tabakasının dahil edilmesiyle mümkün olmuştur (Tablo 1). Bununla birlikte, bağırsak mikrobiyomunun fizyolojik bir temsili için gerekli olmasına rağmen, sistemler içinde geniş anaerobik bakteri konsorsiyumları elde edilmeyi beklemektedir. Emici ve hava geçirgen malzemelerle ilgili sorunlar da sahada anaerobik bakterilerin büyümesi veya lipofilik bileşiklerin test edilmesi için sistemlerin uygunluğuna meydan okuyan büyük bir engel teşkil etmektedir. Organ ara bağlantılarının önemi bu derlemede kuvvetle vurgulanmıştır; bu nedenle dolaşım ve bağışıklık sistemlerini MPS'lere entegre etmek çok önemlidir, ancak bunlar sadece birkaç modele dahil edilmiştir.

Disiplinlerarasılığı artırarak, mikro ortamın gerçek zamanlı izlenmesi için biyobaskı, biyomateryaller ve biyosensörlerin entegrasyonu, fizyolojik alaka düzeyini artırmak için gerekli olan sistemlerin anatomik ve biyokimyasal özelliklerinin yanı sıra karmaşıklığını da ele alabilir. MPS teknolojisi ilerledikçe, gelişmiş çok disiplinli yaklaşımlara yönelik mevcut eğilimin yanı sıra, bu cevaplanmamış sorular sonunda ele alınacaktır.

Teşekkür

Bu proje, Marie Skłodowska Curie hibe sözleşmesi STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329) kapsamında EU Horizon 2020 araştırma ve yenilik programından ve WIDESPREAD-05-2018-TWINNING çağrısından fon aldı. REMODEL (857491). Bu çalışma Hollandalılar tarafından da desteklenmiştir.BöbrekVakıf (DKF, 17OI13). RM, ESAO/ERA-EDTA onaylı Çalışma Grubu EUTox'un bir üyesidir.

Referanslar

1. Himmelfarb, J. ve ark. (2020) Diyalizin mevcut ve gelecekteki manzarası. Nat. Nefrol. 16, 573–585

2. Evenepoel, P. ve ark. (2017) Bağırsak-böbrekeksen. Pediatr. Nefrol. 32, 2005–2014

3. De Sordi, L. et al. (2017) Bağırsak mikrobiyotası, bakteriyel virüslerin genetik çeşitliliği ve enfektivitesindeki kaymaları kolaylaştırır. Hücre Konak Mikrobu 22, 801-808

4. Rukavina Mikusic, NL ve ark. (2020) Bağırsak mikrobiyotası ve kronikböbrekhastalık: yeni bir hastalığa aracılık eden kanıt ve mekanizmalar

Gastrointestinal-böbrek ekseninde iletişim. Pflugers Arch. 472, 303–320

5. Nigam, SK ve Bush, KT (2019) Üremik kronik sendromböbrekhastalık: değiştirilmiş uzaktan algılama ve sinyalleşme. Nat. Nefrol. 15, 301–316

6. Okada, H. ve diğerleri. (2020) Kronik için Kanıta Dayalı Klinik Uygulama Kılavuzlarından temel noktalarBöbrekHastalık 2018. Klinik. Tecrübe. Nefrol. 23, 1-15

7. Becker, GJ ve Hewitson, TD (2013) Kronik hayvan modelleriböbrekhastalık: faydalı ama mükemmel değil. Nefrol. Aramak. Nakil. 28, 2432–2438

8. Faria, J. ve diğerleri. (2019)Böbrekilaca bağlı toksisite testi için temelli in vitro modeller. Kemer Toksikol. 93, 3397–3418

9. Beebe, DJ ve ark. (2002) Fizik ve mikroakışkanların biyolojideki uygulamaları. Annu. Rev. Biomed. Müh. 4, 261-286

10. Zhang, B. ve diğerleri. (2018) Çip üzerinde organ mühendisliğindeki gelişmeler. Nat. Rev. Mater. 3, 257–278

11. Lin, B. ve Levchenko, A. (2015) Mikroakışkanlarla uzamsal manipülasyon. Ön. Biyomüh. Biyoteknoloji. 3, 39

12. Yum, K. ve ark. (2014) Çipler üzerinde fizyolojik olarak ilgili organlar. Biyoteknoloji. J. 9, 16-27

13. Huh, D. et al. (2010) Bir çip üzerinde organ düzeyinde akciğer fonksiyonlarını yeniden yapılandırma. Bilim 328, 1662-1668

14. Lee, SH ve Sung, JH (2018) Çoklu organ fizyolojisinin yeniden üretilmesi için çip üzerinde organ teknolojisi. reklam Sağlık Anne. 7, 1700419

15. Sung, JH ve ark. (2019) Çip üzerinde gövde sistemlerindeki son gelişmeler. Anal. Kimya 91, 330–351

16. Kim, HJ ve ark. (2012) Bağırsak peristalsis benzeri hareketler ve akış yaşayan mikrobiyal floranın yaşadığı çip üzerinde insan bağırsağı. Laboratuvar Çipi 12, 2165–2174

17. Kim, HJ ve Ingber, DE (2013) Çipte Gut-on-a-Chip mikro-ortamı, insan bağırsak hücrelerinin villus farklılaşmasına uğramasını indükler. Tamsayı. Biol. (Kamb) 5, 1130-1140

18. Kim, HJ ve ark. (2016) Mikrobiyom ve mekanik deformasyonun, bir çip üzerinde insan bağırsağında bağırsakta bakteriyel aşırı büyümeye ve iltihaplanmaya katkıları. Proc. Natl. Acad. bilim ABD 113, E7–E15

19. Jalili-Firoozinezhad, S. et al. (2019) Anaerobik bir çip üzerinde bağırsakta kültürlenen karmaşık bir insan bağırsak mikrobiyomu. Nat. Biyomedikal. Müh. 3, 520-531

20. Creff, J. ve ark. (2019) Yüksek çözünürlüklü 3B stereolitografi ile bağırsak epitel topografisini çoğaltan 3B yapı iskelelerinin imalatı. Biyomalzemeler 221, 119404