Mikrofüsioloogilised süsteemid soolestiku-neeru telje kokkuvõtmiseks

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

Kroonilineneerudhaigus (CKD) ilmneb tavaliselt koos teiste kaasuvate haigustega, tuues esile selle aluseks oleva keeruka patofüsioloogia, mida arvatakse olevat kahesuunaline soolestik suuresti moduleeriv.neerudläbirääkimine. Kombineerides koetehnoloogia, valmistamise, mikrofluidika ja biosensorite edusamme, on mikrofüsioloogilised süsteemid (MPS) kujunenud paljutõotavateks lähenemisviisideks mitme elundi in vitro vastastikuse ühendamise jäljendamiseks, käsitledes samal ajal loommudelite piiranguid. Soole-neeru telje (pato)füsioloogiliste seisundite jäljendamiseks in vitro on vaja MPS-i, mis suudab simuleerida mitte ainult seda otsest kahesuunalist läbirääkimist, vaid ka teiste füsioloogiliste osalejate, nagu maks ja immuunsüsteem, panust. Arutame selle valdkonna hiljutisi arenguid, mis võivad potentsiaalselt viia soolestiku-neeru telje in vitro modelleerimiseni kroonilise neeruhaiguse korral.

Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com

Cistanche tubulosa hoiab ära neeruhaiguse, proovi saamiseks klõpsake siin

Krooniline neeruhaigus: metaboolne häire koos häiritud organite ja organismidevahelise signaalimisega

Kroonilineneerudhaigus (CKD) on kõige levinumneerudhaigus ja seda iseloomustab elundi funktsiooni järkjärguline kadumine aja jooksul, mis halvendab võimet filtreerida verest metaboolseid jääkaineid (kast 1). Neerudel on palju väga spetsiifilisi funktsioone, nagu vere filtreerimine ja aktiivne sekretsioon ainevahetusjääkide eemaldamiseks, oluliste toitainete reabsorptsioon, vere mahu ja elektrolüütide homöostaasi säilitamine ning metaboolne ja endokriinne aktiivsus [1].

Arvatakse, et kroonilise neeruhaiguse keerulist ja mõistatuslikku patofüsioloogiat moduleeribneerudläbirääkimine mitme elundi ja süsteemiga, eriti kahesuunalise organitevahelise suhtluse kaudu seedetraktiga, mida nimetatakse soolestiku-neeru teljeks[2]. Inimese soolestik sisaldab keerulist mikroobide kogukonda, mis elavad oma peremehega [3] kommensaalses suhtes ja annavad olulise ja ainulaadse panuse inimese ainevahetusse (vt sõnastik). Sümbioosis tagab imendumine soolestikus kasulike mikroobsete metaboliitide omastamise, neerud aga säilitavad homöostaasi, väljutades potentsiaalselt toksilisi metaboolseid lõppprodukte. Ja vastupidi, neerupuudulikkus põhjustab soolestiku mikrobiotast pärinevate metaboliitide (st ureemiliste toksiinide) kuhjumist, mis põhjustab ureemilise sündroomi väljakujunemist. See tüsistus soodustab soolestiku düsbioosi, mis mõjutab negatiivselt põletikulisi, endokriinseid ja neuroloogilisi radu, mis on seotud kroonilise neeruhaiguse alguse ja progresseerumisega (kast 2 ja joonis 1)[4]. Üldiselt võib kroonilist neeruhaigust vaadelda kui metaboolset häiret, mis peegeldab metaboliitide ja signaalmolekulide häiritud elunditevahelist ja organismidevahelist voogu, millega kaasneb immuunsüsteemi üleaktiveerimine (joonis 2). Sellest tulenevalt tõstatab ureemiliste toksiinide kaudu toimuva soole-neeru kaugsignalisatsiooni keskne roll [5] vajaduse täiendavalt iseloomustada soolestiku metaboolset neeruhaigust.

Traditsiooniliseltneerudhaigusuuringud on suures osas tuginenud kliinilistele [6] ja loomkatsetele [7], mis pakuvad piiratud kontrolli eksperimentaalsete parameetrite üle ja millel on suur liikidevaheline varieeruvus. Sobivate in vitro eksperimentaalsete mudelite puudumise tõttu on praegu hädavajalik vajadus rakukultuurisüsteemide järele, mis suudaksid tabada in vivo elundite funktsiooni erinevaid aspekte, kasutades kõrgelt kontrollitud ja spetsiaalseid kultuurilisi mikrokeskkondi, sealhulgas 3D-aluseid ja mikrofluidikaid [8]. ]. Arvestades edusamme mitmerakulise kultiveerimise ja biotootmise vallas, reaalajas jälgimise funktsioonide integreerimist ja eksperimentaalsete parameetrite sõltumatut juhtimist, on inimese füsioloogia keerukuse tabamine in vitro kindlasti silmapiiril. Anname põhjaliku ülevaate kõige sümboolsematest ja hiljutistest edusammudest 3D in vitro mudelite valdkonnas ning tõstame esile nende olulisuse 3D kahesuunalise soole-neeru telje süsteemi väljatöötamisel. Arutame ka peamisi tõkkeid, mida need kaasa toovad, kuidas neid ületada ning pakume uusi teadmisi selle valdkonna praegusest suunast kroonilise neeruhaiguse kontekstis.

Mikrofüsioloogilised mudelid elundite keeruliste seoste lahtiharutamiseks

Mikrograafia sotsioloogiliste süsteemide (MPS) tulek, mida nimetatakse ka organ-on-chips (OOC-ks), on loonud uudsed võimalused üksikute elunditega seotud füsioloogiliste protsesside ja elunditevahelise läbirääkimise uurimiseks. Tekib rida erinevaid multi-MPS-e, mis toetavad füsioloogilise kiibil põhinevat lähenemisviisi elundite funktsionaalsete üksuste simuleerimiseks ja nendevaheliseks läbirääkimiseks, selle asemel, et reprodutseerida tervet elundit. Tehnilisest vaatenurgast koosnevad MPS-id sageli ühest või mitmest mikrofluidkanalist, mille ristlõike mõõtmed on sadu mikromeetreid ja milles (taas)tsirkuleeritakse väikesed kogused (nanoliiterid mikroliitrid). Rakkude vahelise tiheda kontakti tagamisega võimaldavad need mahud jäädvustada rakkude ja rakkude dünaamilist koosmõju, tagades samal ajal minimaalse reaktiivikulu ja ühendi lahjendamise [9, 10]. Lisatud laminaarne voog võib rakke pidevalt varustada värskete toitainete ja hapnikuga, eemaldades samal ajal jääkaineid, ning luua nende läheduses täpseid aegruumilisi keemilisi ja mehaanilisi gradiente [11]. Erinevate koe analoogide füüsiline isoleerimine saavutatakse mikrokanaliteks, mis on eraldatud õhukeste poorsete membraanide või ekstratsellulaarse maatriksi (ECM) kihtidega [12].

Kopsu-kiibil platvormi loomine, kus mehaaniline tüvi ja mitu rakutüüpi kombineeriti, et jäljendada kopsu hingamist, oli teerajajaks bioloogiliselt inspireeritud MPS-ide väljatöötamisele [13]. Sellest ajast alates on mikrofluidilise käsitsemise areng võimaldanud ühendada erinevaid elundimudeleid ja juhtida nende läbirääkimist ühes või mitmes seadmes [14, 15]. Viimased arengud selles valdkonnas sunnivad meid arutama neid edusamme seoses soolestiku modelleerimisega.neerudteljes CKD-s ja uurida MPS-de nõudeid elunditevahelise suhtluse toetamiseks, võttes arvesse ka sünergilist lähenemisviisi nende kombineerimisel silico mudelites.

Teel soolestiku-neeru telje replikatsiooniks MPS-ide abil

Mikrofluidika, koetehnoloogia ja mikroelektromehaaniliste süsteemide integreerimise teel on loodud mitu gut-on-a-chip süsteemi. Kõige tüüpilisemate konfiguratsioonide hulgas on Wyssi Instituudi (USA) gut-on-a-chip edukalt jäljendanud inimese soolestiku dünaamilist mikrokeskkonda, rakendades füsioloogiliselt olulisi vedelikukaaslasi ja peristaltikat sarnaseid mehaanilisi jõude ning need toetasid rakkude diferentseerumist villuseks. - ja krüptilaadsed struktuurid, paksu epiteeli monokihi moodustumine ja rakulise funktsiooni paranemine (joonis 3A) [16–19]. Hiljuti on topoloogilised tunnused tõusnud rakkude funktsioonide juhtimisel keskse tähtsusega, kuid ainult mõned uuringud on püüdnud replitseerida krüpti-villusarhitektuuri mikrofluidsüsteemides, mida saab nüüd hõlpsasti saada 3D kõrglahutusega stereolitograafia [20], fotolitograafia [21] abil. ] ja ristseotud hüdrogeelide mikrovormimine [22]. Praegu on sooletuubulilaadsete struktuuride matkimist käsitletud soolerakkude kultiveerimisega sulava õõneskiudmembraanisüsteemi [23, 24] apikaalsel küljel või mikrokanalite luumenis [25]. ECM-katte ja ühesuunalise apikaalse kaaslase lisamine andis tulemuseks küpse sooletorukeste fenotüübi, millel oli villilaadsed struktuurid. Kokkupuude Clostridium difficile sekreteeritava toksiiniga A, mis on soolestiku loomulik virulentsusfaktor ja soolebarjääri kahjustaja düsbioosi korral, või soolestiku mikrobiotast pärineva metaboliidi p-kresooliga suurendas barjääri läbilaskvust [23, 24]. Samal ajal muudeti p-kresool p-kresüülsulfaadiks ja p-kresüülglükuroniidiks – lõpp-metaboliitideks, mis akumuleeruvad plasmas kroonilise neeruhaiguse progresseerumise ajal, tõenäoliselt tsütokroom P450--vahendatud metabolismi kaudu, millele järgnes konjugatsioon, mis tõstab esile soolestikku soolestiku mikrobiotast pärinevate metaboliitide biotransformatsiooniks ureemilisteks toksiinideks [23].

Sooleepiteeli keerukust ja mitmekesisust saab usaldusväärselt kokku võtta, kasutades 3D inimkoe organoide [26, 27]. Nende kasutamine on aga osutunud keeruliseks, kuna nende suletud, väljastpoolt sissepoole jääv konfiguratsioon takistab transpordiuuringuid ning kokkupuudet kommensaalsete ja patogeensete bakteritega. Sellegipoolest näitasid Thorne ja kaastöötajad, et organoidide ensümaatilise dissotsiatsiooni kaudu suutsid primaarsed soolerakud ise organiseeruda ja de novo eralduda diferentseerumata või diferentseerunud piirkondadeks, moodustades nišitaolisi sektsioone [28]. Integreerides eraldi mikrovaskulaarse endoteeli, mida kultiveeriti sõltumatu kaaslase ja tsüklilise deformatsiooni all, hinnati nende rakkude absorptsiooniomadusi [29, 30]. Hiljuti näidati, et krüpti-villuse domeenide kaasamine torukujulisse, sulava luumeniga epiteeli säilitab stereotüüpseid raku mustriomadusi, millel on iseseisev taastumisvõime [31].

Peremees-mikrobiota interaktsioonide in vitro uuringut on takistanud tavapäraste mudelite suutmatus säilitada elujõulist kompleksset mikrobiotat mitu päeva. Kuigi limakihi panust peremees-mikrobiomi interaktsioonidesse on sageli tähelepanuta jäetud, näidati hiljuti, et paksu limakihi integreerimine, mis toimib füsioloogilise barjäärina bakterite ja sooleepiteeli vahel, võib aeglustada barjääri kahjustusi ja rakuvälist läbilaskvust. [32,33]. Sellest lähtuvalt võimaldas keerukas mikrofluidimudel HuMiX anaeroobsete bakterite ja soolerakkude otsest kooskultuuri, lisades funktsionaalse limakihi, samuti pulseeriva kaaslase ja mehaanilise stimulatsiooni (joonis 3B) [34].

Suurem osa soolestiku mikrobiotast on kohustuslikud anaeroobid, mis vajavad<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="">

ArengutneerudKiibil olevad süsteemid on olnud väljakutseks ka funktsionaalsete rakkude puudumise tõttu, mis suudaksid in vitro kokku võtta nefroni mitmerakulise struktuuri ja funktsionaalse keerukuse. Seega, võrreldes gut-on-a-chip seadmega, arendamineneerud-kiibi süsteemid on mingil määral maha jäänud. Praeguseks on välja töötatud glomerulaarsete, proksimaalsete tuubulite ja distaalsete tuubulite füsioloogia mudelid, kuid kõigi komponentide integreerimine terviklikuks nefroniks kiibil on veel saavutamata [38]. Et olla füsioloogiliselt asjakohane, lisaks rakulisele keerukusele biomimeetikumneerud-kiibil peaks integreerima (i) rakkude ja rakkude vahelised interaktsioonid, näiteks podotsüütide või proksimaalsete tuubulite epiteelirakkude ja (mikro)veresoonkonna endoteeli vahel, (ii) transtsellulaarsed elektrokeemilised ja osmootse rõhu gradiendid, mis juhivad vedelikke ja metaboliite läbi interstitsiaalne ruum, (iii) vedelik ja (iv) neerutuubulite struktuurne paigutus, samuti (v) raku metaboolsed ja endokriinsed funktsioonid [38].

Proksimaalne tuubul mängib olulist rolli metaboolsete jäätmete eritumisel ja biomolekulide reabsorptsioonil ning on seetõttu olnud in vitro väljatöötamise peamiseks huviobjektiks.neerud-kiibil olevad süsteemid, mis koondavad kokku in vivoneerudpabertaskurätik. Funktsionaalsuse arendamineneerudtuubulid, milles kasutati biofunktsionaliseeritud õõneskiududega proksimaalseid tuubulirakke, võimaldasid Jansenil ja kaastöötajatel uurida soolestiku mikrobiotast pärinevate metaboliitide sekretoorset kliirensit. See süsteem võimaldas teadlastel näidata, kuidas kaugseire ja signaalimise kaudu tunnevad proksimaalsed tuubulirakud kõrgenenud indoksüüülsulfaadi taset ja kohandavad vastavalt nende eritumise eest vastutavate transporterite ekspressiooni, püüdes säilitada stabiilset metaboliitide taset ja homöostaasi [39].

Endoteeli-interstitsiaalse ruumi-epiteeli interaktsioonid reguleerivad lahustunud ainete pidevat vahetust vereringe- ja uriinikambrite vahel. Lin ja kaastöötajad töötasid edukalt välja perfuseeritava 3D vaskulariseeritud proksimaalse tuubuli, mis suutis tuubulite ja veresoonte vahel lahustunud ainete vahetuse kaudu simuleerida rakkude aktiivset reabsorptsioonifunktsiooni.neerud[40]. See mudel võimaldab kogust sertifitseerida neerude albumiini omastamist ja glükoosi reabsorptsiooni aja jooksul, pakkudes paljulubavat vahendit neeru (pato)füsioloogiliste funktsioonide ja farmakoloogia uurimiseks. Muud kui lahustunud aine vahetus,neerudinterstitsiaalset ruumi peetakse samuti arengu keskseksneerudfibroos, kroonilise neeruhaiguse tunnus. Arvatakse, et see on põhjustatud tuubulite interstitsiaalse ruumi armistumisest interstitsiaalse müofibroblasti aktiveerimise ja sellele järgneva ECM-i sadestumise tagajärjel. Sellegipoolest on vaid mõned uuringud teatanud selle integreerimisest 3D in vitro süsteemidesse. Moll ja kaastöötajad teatasid lihtsa ja hästi reprodutseeritava 3D-tuubuli/interstitsiumi mikrokeskkonna mudeli valideerimisest neerufifibroosi uurimiseks füsioloogiliselt olulises in vitro süsteemis [41]. Selles uuringus kasutati ägeda torukujulise vigastuse edukaks jäljendamiseks tsisplatiini. Neerutuubulite / interstitsiumi mikrokeskkonna in vitro replikatsioon saavutati neerufibroblastide asemel inimese naha fibroblaste kasutades, kuna esimesed ekspresseerivad basaaltingimustes madalat fibrootiliste markerite taset. Sellest piirangust hoolimata näitas süsteem, et epiteelirakud mängivad müofifibroblastide aktiveerimise ja diferentseerumise käivitamisel keskset rolli. Moll ja kaastöötajad üritasid seda uuringut korrata primaarsete neerufibroblastide abil, kuid tulemustes ilmnes suur varieeruvus. Arvestades interstitsiaalse ruumi tähtsust kroonilise neeruhaiguse korral, on vaja täiendavaid 3D in vitro uuringuid, et selgitada selle rolli haiguse alguses ja progresseerumisel.

Theneerudaktiveerivad ka 25 (OH) D-vitamiini hüdroksüülimise teel positsioonis 1, mille tulemuseks on 1,25 (OH) 2 D-vitamiin, oluline hormoon, mida kroonilise neeruhaigusega patsientidel sageli napib ja mis võib mõjutada soolestiku mikrobiota koostist ja barjääri terviklikkust. Hiljuti on kiibil kujutatud maksa metabolismi janeerudD-vitamiini aktiveerimine töötati välja D-vitamiini sisaldava söötme mikrofluidkiibi perfuseerimisega, mis viitab sellele, et keerukad organitevahelised metaboolsed interaktsioonid on MPS-tehnoloogiate abil väga saavutatavad [42].

Kroonilise neeruhaiguse puhul eeldatakse, et lühikese ahelaga rasvhapete (SCFA) tootmise vähenemine, mida täiendab samaaegne ureemiliste toksiinide tootmise suurenemine ja nende süsteemne akumuleerumine [4], põhjustab kroonilise põletikulise seisundi, mis on tüüpiline kroonilise neeruhaigusele [4,43]. ]. Tõepoolest, SCFA-del, eriti butüraadil, on nii nefroprotektiivne kui ka soolestikku kaitsev toime [4,44] ning butüraadi kõrget taset on seostatud soolebarjääri terviklikkuse ja soolestiku immuunsuse paranemisega tänu selle põletikuvastastele omadustele [45]. Sellele vaatamata vaidlesid sellele hiljuti vastu Trapecar ja kaastöötajad, kes psühhomimeetilise lähenemisviisiga näitasid, et SCFA-d võivad soole-maksa mudelis põletikulist reaktsiooni süvendada. Ühendades kaks pneumaatilist plaati, mis esindavad soolestikku ja maksa eraldi, võivad CD4 pluss T-rakud ja põletikulised 17-tüüpi T-abistajarakud (Th17) ringelda kahe kambri sees ja vahel. SCFA-de vastandlikud mõjud võivad olla korrelatsioonis põletiku astmega, kusjuures kõrgendatud põletikuline seisund põhjustab kahjulikumat mõju [46].

Meile teadaolevalt ei ole praegu ühtegi MPS-i, mis käsitleks soolestikust pärinevate metaboliitide mõju soolestikule,neerudvõi muud elundid koos nende biotransformatsiooni jälgimisega kroonilise neeruhaiguse kontekstis. Kiibi häälestamine metaboliitide tootmise ja eemaldamise voogude kahesuunalisuse tõepäraseks kokkuvõtmiseks on väljakutse. Kroonilise neeruhaigusega patsientide väljaheiteproovidest saadud mikrobiota integreerimine soolestiku mikrofluidisüsteemi võimaldaks meil uurida muutusi mikroobide metabolismis ja analüüsida nende (kaudset) otsest mõju kaugematele organitele – omadus, mida in vivo katsetega ei saavutata.

Tehnoloogilised edusammud MPS-ide in vivo tõlkeväärtuse suurendamine MPS-i kavandamine on keeruline ja nõuab multidistsiplinaarset lähenemist. Oluline on märkida, et ükski MPS ei suuda seda kõike teha ja olenevalt rakendusest võib vaja minna erinevaid süsteeme. Soolestikuga võitlemiseks saadaolevate süsteemide eelised ja piirangudneerudteljed on kokku võetud tabelis 1. Üks levinumaid väljakutseid selles valdkonnas on luua süsteem, mis on bioloogiliselt keeruline ja piisavalt tehniliselt lihtne, et seda saaks rakukultuuri laborites rajada.

Ingberi grupp (Wyss Institute, USA) on loonud hästi optimeeritud protokollid rakkude kultiveerimiseks, mikrofluidiliste komponentide ühendamiseks kiibiga ja proovide võtmiseks [16–18,47]. Kuigi nende mikrofluidisüsteem on tehnoloogiliselt arenenud, nõuab nende mikrofluidisüsteem märkimisväärset mittetehniliste operaatorite väljaõpet isegi automaatsete mikrofluidianalüüside jaoks [47]. Pumbata mitmeorgani kiibid, mille teerajajaks on Shuleri labor (Cornelli ülikool, USA), aga ka sellised ettevõtted nagu Hesperos Inc. (joonis 3E) ja InSphero, suurendavad läbilaskevõimet kaaslase ja seadme keerukuse piiratud kontrolli arvelt [48]. (https://hesperosinc.com/). Kuigi Griffithi labori (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut, USA) poolt välja töötatud MPS on piiratud biofüüsikaliste näpunäidete replitseerimisega, kasutab see tavapärasemaid protokolle, võimaldades näiteks otsejuurdepääsu koe analoogile ja kasutades modifitseeritud standardseid Transwell® lisasid (joonis). 3C, D) [37,49].

Uuenduslikud ettevõtted on sarnaselt välja töötanud mitme elundi platvormid, nagu TissUse®. Nende kiibil olevad pumbad ühendavad elundeid ja muudavad süsteemi vähem vastuvõtlikuks mullide kinnijäämise ja lekkimise suhtes. Need seadmed pakuvad aga piiratud mikrofluidilist marsruutimist, näiteks puudub soolestiku mudelis apikaalne kaaslane ja koemudelite kohandamine on keeruline.

Teine suur väljakutse on kiibi materjal. PDMS on üks kõige sagedamini kasutatavaid materjale oma suurepärase hapniku läbilaskvuse, optilise selguse ja prototüüpimisomaduste tõttu. Hapniku läbilaskvus on aga negatiivseks küljeks kohustusliku anaeroobse mikrobioomi kooskultuurimisel soolerakkudega [20,37]. Hüdrofoobsete ühendite testimisel, näiteks ravimite toksilisuse või efektiivsuse uuringutes, ei soovitata PDMS-i kasutada, kuna see absorbeerib väikseid hüdrofoobseid molekule. Seega on kõige usaldusväärsemad MPS-id, mis koosnevad inertsematest materjalidest, mis takistavad ühendite mittespetsiifilist seondumist. Näiteks arendasid Edington ja kaastöötajad omavahel ühendatud MPS-ide polüstüreenil põhineva mikrofluidiplatvormi, et luua kiibil olev füsioom, mis suudab luua keerukaid molekulaarseid jaotusprofiile täiustatud ravimite avastamise rakenduste jaoks [50].

Integreeritud anduritega (hapnik, uurea, laktaat või glükoos) ja/või optilise läbipaistvusega platvormide väljatöötamine on hõlbustanud reaalajas mitteinvasiivset rakuanalüüsi (kast 3) [51,52]. Hiljuti töötati välja täielikult integreeritud modulaarse anduriga platvorm. See töötab MPS-seadmeid pidevalt, dünaamiliselt ja automatiseeritult ning sisaldab füüsilisi andureid rakuvälise mikrokeskkonna jälgimiseks, biokeemilisi andureid lahustuvate biomarkerite mõõtmiseks, miniatuurseid mikroskoope morfoloogiliste muutuste jäädvustamiseks ja mikrovedeliku marsruutimise leivatahvlit vedelike õigeaegseks suunamiseks. viisil [53].

Arvutusanalüüs on vajalik ka selleks, et teha kindlaks, kas MPS-ist tuletatud katseandmeid saab ekstrapoleerida in vivo jõudlusele [54]. Seega peaks masinõppealgoritmide integreerimine (in silico modelleerimine) saama MPS-ide strateegiliseks komponendiks [55]. Arvutusmudelit saab kohandada, et aidata lahendada eksperimentaalselt seotud MPS-ide piiranguid ja viia andmed loomkatsete ja ekstrapoleerimismeetodite ulatusse [54]. In silico uuringutest saadud ennustused võivad anda tagasisidet MPS-mudelite edasiseks täiustamiseks [55]. Näiteks võib in silico uuringuid kasutada immuunrakkude liikuvuse modelleerimiseks pärast soolebarjääri kahjustust ja raku käitumise ennustamiseks konkreetsete parameetrite või biomolekulidega kokkupuutel [56–59].

Lõppmärkused ja tulevikuväljavaated

Järgmise sajandi jooksul prognoositakse kroonilise neeruhaiguse levimuse drastilist kasvu kogu maailmas, mis tekitab olulisi majanduslikke ja ühiskondlikke väljakutseid. Olenemata päritoluriigist on leitud, et iga-aastased tervishoiu- ja ühiskondlikud kulud kasvavad paralleelselt kroonilise neeruhaiguse progresseerumisega [60], mis rõhutab tungivat vajadust haigusmudeli platvormi järele, mille abil uurida kroonilise neeruhaiguse patofüsioloogiat ja tuvastada võimalikke ravieesmärke.

Sellegipoolest tuleb lahendada palju probleeme ja enne MPS-ide väljatöötamist, mis modelleerivad täpselt CKD-d, tuleb lahendada mitu probleemi (vt Lahendamata küsimused). Näiteks jäävad teadmata esialgsed sündmused, mis põhjustavad kroonilise neeruhaiguse tekkimist, mistõttu on kroonilise neeruhaiguse alguse modelleerimine MPS-is keeruline.Neervigastused, mis põhjustavad kroonilise neeruhaiguse arengut, on oma olemuselt mitmekesised ja hõlmavad sageli kardiovaskulaarset komponenti, mis muudab nende esituse veelgi raskemaks. Lisaks on soolestiku mikrobioomi koostis keeruline ja paljunemine keeruline; Sellegipoolest on see kroonilise neeruhaiguse mudeli jaoks oluline nõue. Anaeroobseid baktereid integreerivate MPS-ide viimased edukad arendused on saanud võimalikuks tänu hapniku tuvastamise biosensorite integreerimisele, samuti kontrollitud voolude ja limakihi kaasamisele, mis vähendavad bakterite ülekasvu ja piiravad soolestiku rakkude kahjustusi (tabel 1). Siiski tuleb saavutada süsteemides laiaulatuslikud anaeroobsete bakterite konsortsiumid, kuigi see on vajalik soolestiku mikrobioomi füsioloogiliseks esituseks. Probleemid absorbeerivate ja õhku läbilaskvate materjalidega kujutavad endast samuti suurt takistust selles valdkonnas, seades kahtluse alla süsteemide sobivuse anaeroobsete bakterite kasvuks või lipofiilsete ühendite testimiseks. Selles ülevaates on tugevalt esile tõstetud elundite omavaheliste seoste olulisust; seetõttu on ülimalt oluline integreerida vereringe- ja immuunsüsteemid MPS-idesse, kuid need on kaasatud vaid vähestesse mudelitesse.

Suurendades interdistsiplinaarsust, võib bioprintimise, biomaterjalide ja biosensorite integreerimine mikrokeskkonna reaalajas jälgimiseks käsitleda nende füsioloogilise tähtsuse suurendamiseks vajalike süsteemide anatoomilisi ja biokeemilisi omadusi ning keerukust. MPS-tehnoloogia edenedes koos praeguse suundumusega täiustatud multidistsiplinaarsete lähenemisviiside poole lahendatakse lõpuks need vastuseta küsimused.

Tänuavaldused

Seda projekti rahastati EL-i Horisont 2020 teadus- ja innovatsiooniprogrammist Marie Skłodowska Curie toetuslepingu STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329) raames, samuti laialdase-05-2018-TWINNING projekti raames. REMODEL (857491). Seda tööd toetasid veelgi hollandlasedNeerSihtasutus (DKF, 17OI13). RM on ESAO/ERA-EDTA poolt heaks kiidetud EUToxi töörühma liige.

Viited

1. Himmelfarb, J. et al. (2020) Dialüüsi praegune ja tulevane maastik. Nat. Rev. Nephrol. 16, 573–585

2. Evenepoel, P. et al. (2017) Sool –neerudtelg. Pediatr. Nephrol. 32, 2005–2014

3. De Sordi, L. et al. (2017) Soolestiku mikrobiota hõlbustab bakteriviiruste geneetilise mitmekesisuse ja nakkavuse triivimist. Cell Host Microbe 22, 801–808

4. Rukavina Mikusic, NL jt. (2020) Soolestiku mikrobiota ja kroonilineneerudhaigus: tõendid ja mehhanismid, mis vahendavad uut

side seedetrakti-neeru teljel. Pflugers Arch. 472, 303–320

5. Nigam, SK ja Bush, KT (2019) Krooniline ureemiline sündroomneerudhaigus: muutunud kaugseire ja signaalimine. Nat. Rev. Nephrol. 15, 301–316

6. Okada, H. et al. (2020) Olulised punktid tõenditel põhinevatest krooniliste haiguste kliinilistest tavadestNeerHaigus 2018. Clin. Exp. Nephrol. 23, 1-15

7. Becker, GJ ja Hewitson, TD (2013) Kroonilise haiguse loommudelidneerudhaigus: kasulik, kuid mitte täiuslik. Nephrol. Helista. Siirdamine. 28, 2432–2438

8. Faria, J. et al. (2019)Neer-põhised in vitro mudelid ravimitest põhjustatud toksilisuse testimiseks. Arch. Toksikool. 93, 3397–3418

9. Beebe, DJ jt. (2002) Mikrofluidika füüsika ja rakendused bioloogias. Annu. Rev. Biomed. Eng. 4, 261–286

10. Zhang, B. et al. (2018) Edusammud oreli-kiibil tehnikas. Nat. Rev. Mater. 3, 257–278

11. Lin, B. ja Levchenko, A. (2015) Ruumiline manipuleerimine mikrofluidikaga. Ees. Bioeng. Biotehnoloogia. 3, 39

12. Yum, K. et al. (2014) Füsioloogiliselt olulised elundid kiipidel. Biotehnoloogia. J. 9, 16–27

13. Huh, D. et al. (2010) Elundi tasemel kopsufunktsioonide taastamine kiibil. Teadus 328, 1662–1668

14. Lee, SH ja Sung, JH (2018) Organ-on-a-chip tehnoloogia mitme elundi füsioloogia reprodutseerimiseks. Adv. Healthc. Mater. 7, 1700419

15. Sung, JH et al. (2019) Hiljutised edusammud body-on-a-chip süsteemides. Anal. Chem. 91, 330–351

16. Kim, HJ et al. (2012) Inimese soolestik kiibil, kus elab mikroobne floora, mis kogeb soolestiku peristaltikat meenutavat liikumist ja voolu. Lab Chip 12, 2165–2174

17. Kim, HJ ja Ingber, DE (2013) Gut-on-a-Chip mikrokeskkond indutseerib inimese soolerakkudes villi diferentseerumist. Täisarv. Biol. (Camb) 5, 1130–1140

18. Kim, HJ et al. (2016) Mikrobioomi ja mehaanilise deformatsiooni panus soolestiku bakterite ülekasvu ja põletikku inimese soolestikus kiibil. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113, E7–E15

19. Jalili-Firoozinezhad, S. et al. (2019) Keeruline inimese soolestiku mikrobioom, mida kasvatatakse anaeroobses soolestikus kiibil. Nat. Biomed. Eng. 3, 520–531

20. Creff, J. et al. (2019) Sooleepiteeli topograafiat reprodutseerivate 3D-karkasside valmistamine kõrge eraldusvõimega 3D-stereolitograafia abil. Biomaterjalid 221, 119404