Sistem Mikrofisiologi Untuk Menyusun Semula Paksi Gut–Buah Pinggang
Mar 18, 2022
Laura Giordano,1,3Silvia Maria Mihaila,1,3Hossein Eslami Amirabadi,1,2dan Rosalinde Masereeuw
Kronikbuah pinggangpenyakit (CKD) biasanya muncul bersama komorbiditi lain, menonjolkan patofisiologi kompleks yang mendasari yang dianggap sangat dimodulasi oleh usus dua arah-buah pinggangcrosstalk. Dengan menggabungkan kemajuan dalam kejuruteraan tisu, fabrikasi, mikrofluidik dan biosensor, sistem fisiologi mikro (MPS) telah muncul sebagai pendekatan yang menjanjikan untuk meniru interkoneksi in vitro berbilang organ, sambil menangani batasan model haiwan. Meniru keadaan fisiologi (patho) paksi usus-buah pinggang secara in vitro memerlukan MPS yang boleh mensimulasikan bukan sahaja crosstalk dua arah langsung ini tetapi juga sumbangan peserta fisiologi lain seperti hati dan sistem imun. Kami membincangkan perkembangan terkini dalam bidang yang berpotensi membawa kepada pemodelan in vitro paksi usus-buah pinggang dalam CKD.
Hubungi:joanna.jia@wecistanche.com
Cistanche tubulosa mencegah penyakit buah pinggang, klik di sini untuk mendapatkan sampel
Penyakit Buah Pinggang Kronik: Gangguan Metabolik dengan Isyarat Inter-Organ dan Inter-Organismal Terganggu
Kronikbuah pinggangpenyakit (CKD) adalah yang paling meluasbuah pinggangpenyakit dan dicirikan oleh kehilangan fungsi organ secara beransur-ansur dari masa ke masa, yang menjejaskan keupayaan untuk menapis bahan buangan metabolik daripada darah (Kotak 1). Buah pinggang mempunyai banyak fungsi yang sangat khusus, seperti penapisan darah dan rembesan aktif untuk penyingkiran sisa metabolik, penyerapan semula nutrien penting, pengekalan jumlah darah dan homeostasis elektrolit, dan aktiviti metabolik dan endokrin [1].
Patofisiologi CKD yang kompleks dan misterius dianggap dimodulasi olehbuah pinggangcrosstalk dengan pelbagai organ dan sistem, terutamanya melalui komunikasi antara organ dua arah dengan saluran gastrousus, yang dirujuk sebagai paksi usus-buah pinggang [2]. Usus manusia menampung komuniti kompleks mikrob yang hidup dalam hubungan komensal dengan tuan rumah mereka [3] dan memberikan sumbangan yang penting dan unik kepada metabolom manusia (lihat Glosari). Dalam simbiosis, penyerapan usus memastikan pengambilan metabolit mikrob yang bermanfaat, manakala buah pinggang mengekalkan homeostasis dengan mengeluarkan produk akhir metabolik yang berpotensi toksik. Sebaliknya, kegagalan buah pinggang mengakibatkan pengumpulan metabolit yang berasal dari mikrobiota usus (iaitu, toksin uremik) yang membawa kepada perkembangan sindrom uremik. Komplikasi ini menyumbang kepada dysbiosis usus yang memberi kesan buruk kepada laluan keradangan, endokrin, dan saraf yang terlibat dalam permulaan dan perkembangan CKD (Kotak 2 dan Rajah 1)[4]. Secara keseluruhan, CKD boleh dilihat sebagai gangguan metabolik yang mencerminkan gangguan aliran antara organ dan antara organisma metabolit dan molekul isyarat disertai dengan pengaktifan berlebihan sistem imun (Rajah 2). Sehubungan itu, peranan utama isyarat jauh usus-buah pinggang melalui toksin uremik [5] menimbulkan keperluan untuk mencirikan lagi metabolom usus dalam CKD.
Secara tradisinya,buah pinggangpenyelidikan penyakit sebahagian besarnya bergantung kepada kajian klinikal [6] dan haiwan [7] yang menawarkan kawalan terhad ke atas parameter eksperimen dan mempunyai kebolehubahan antara spesies yang tinggi. Disebabkan kekurangan model eksperimen in vitro yang sesuai, pada masa ini terdapat keperluan penting untuk sistem kultur sel yang boleh menangkap pelbagai aspek fungsi organ in vivo melalui penggunaan persekitaran mikro kultur terkawal dan khusus, termasuk perancah 3D dan mikrofluidik [8 ]. Memandangkan kemajuan dalam pembiakan multiselular dan pembuatan bio, penyepaduan ciri pemantauan masa nyata, dan kawalan bebas parameter eksperimen, menangkap kerumitan fisiologi manusia secara in vitro sudah pasti dapat dilihat. Kami menyediakan gambaran menyeluruh tentang kemajuan paling lambang dan terkini dalam bidang model in vitro 3D dan menyerlahkan kaitannya untuk pembangunan sistem paksi usus-buah pinggang dua arah 3D. Kami juga membincangkan halangan utama yang dihadapi oleh ini, cara untuk mengatasinya, dan menawarkan pandangan baharu tentang hala tuju semasa bidang ini dalam konteks CKD.
Model Mikrofisiologi untuk Membongkar Saling Sambungan Organ Kompleks
Kemunculan sistem sosiologi mikrografi (MPS), juga dirujuk sebagai organ-on-chips (OOC), telah mencipta kemungkinan baru untuk mengkaji proses fisiologi yang terlibat dalam organ individu dan crosstalk antara organ. Rangkaian pelbagai MPS yang berbeza muncul yang menyokong pendekatan 'fisiom-pada-cip' untuk mensimulasikan unit fungsi organ, serta perbualan silang antara mereka, dan bukannya bertujuan untuk menghasilkan semula organ yang lengkap. Dari sudut teknikal, MPS selalunya terdiri daripada saluran mikrofluida tunggal atau berbilang dengan dimensi keratan rentas ratusan mikrometer di mana isipadu kecil (nanoliter kepada mikroliter) diedarkan semula. Dengan memastikan hubungan rapat antara sel, volum ini membolehkan interaksi sel-sel dinamik ditangkap sambil memastikan penggunaan reagen minimum dan pencairan kompaun [9,10]. Aliran laminar tambahan boleh terus membekalkan sel-sel dengan nutrien segar dan oksigen sambil pada masa yang sama mengeluarkan bahan buangan, dan boleh menjana kecerunan kimia dan mekanikal spatiotemporal yang tepat di sekitar mereka [11]. Pengasingan fizikal analog tisu yang berbeza dicapai melalui pembahagian ke dalam saluran mikro yang dipisahkan oleh membran berliang nipis atau lapisan matriks ekstraselular (ECM) [12].
Penciptaan platform lung-on-a-chip, di mana ketegangan mekanikal dan pelbagai jenis sel digabungkan untuk meniru pernafasan paru-paru, mempelopori pembangunan MPS yang diilhamkan secara biologi [13]. Sejak itu, kemajuan dalam pengendalian mikrofluid telah memungkinkan untuk menyambungkan model organ yang berbeza dan mengawal crosstalk mereka dalam satu atau berbilang peranti [14,15]. Perkembangan terkini dalam bidang mendorong kita untuk membincangkan kemajuan ini berkaitan dengan pemodelan usus–buah pinggangpaksi dalam CKD dan meneroka keperluan MPS untuk menyokong komunikasi antara organ, juga mengambil kira pendekatan sinergistik untuk menggabungkannya dalam model silico.
Dalam Laluan ke Meniru Paksi Usus–Buah Pinggang Menggunakan MPS
Beberapa sistem gut-on-a-chip telah diwujudkan dengan menyepadukan mikrobendalir, kejuruteraan tisu, dan sistem mikroelektromekanikal. Antara konfigurasi yang paling mewakili, gut-on-a-chip dari Institut Wyss (AS) berjaya mencontohi persekitaran mikro usus manusia yang dinamik melalui penggunaan sesama cecair yang berkaitan secara fisiologi dan daya mekanikal seperti peristalsis, dan ini menyokong pembezaan sel ke dalam vilus. - dan struktur seperti crypt, pembentukan monolayer epitelium tebal, dan fungsi selular yang dipertingkatkan (Rajah 3A) [16–19]. Baru-baru ini, ciri topologi telah muncul sebagai penting dalam mengarahkan fungsi sel, tetapi hanya beberapa kajian telah cuba untuk meniru seni bina crypt-villus dalam sistem mikrofluidik yang kini boleh diperolehi dengan mudah melalui stereolitografi resolusi tinggi 3D [20], fotolitografi [21]. ], dan pengacuan mikro hidrogel bersilang [22]. Pada masa ini, meniru struktur seperti tubul usus telah ditangani dengan mengkultur sel-sel usus pada bahagian apikal sistem membran gentian berongga per fusible [23,24] atau dalam lumen saluran mikro [25]. Penambahan salutan ECM dan sesama apikal satu arah menghasilkan fenotip tubul usus matang dengan struktur seperti vilus. Pendedahan kepada toksin A yang dirembeskan Clostridium difficile, faktor virulensi penghuni usus semula jadi dan pengganggu penghalang usus dalam disbiosis, atau kepada metabolit yang berasal dari mikrobiota usus, p-cresol, menghasilkan kebolehtelapan penghalang yang dipertingkatkan [23,24]. Pada masa yang sama, p-cresol ditukar kepada p-cresyl sulfate dan p-cresyl glucuronide, metabolit akhir yang terkumpul dalam plasma semasa perkembangan CKD, mungkin melalui metabolisme pengantara sitokrom P450-diikuti oleh konjugasi, sekali gus menyerlahkan sumbangan usus kepada biotransformasi metabolit yang berasal dari mikrobiota usus kepada toksin uremik [23].
Kerumitan dan kepelbagaian epitelium usus boleh dikira semula dengan pasti dengan menggunakan organoid tisu manusia 3D [26,27]. Walau bagaimanapun, penggunaannya telah terbukti mencabar kerana konfigurasi tertutup, luar dalam menghalang kajian pengangkutan dan pendedahan kepada bakteria komensal dan patogenik. Walau bagaimanapun, Thorne dan rakan sekerja menunjukkan bahawa, melalui penceraian enzimatik organoid, sel-sel usus primer dapat mengatur sendiri dan de novo mengasingkan ke dalam kawasan yang tidak dibezakan atau dibezakan, membentuk petak seperti niche [28]. Dengan mengintegrasikan endothelium mikrovaskular berasingan yang dibiakkan di bawah rakan bebas dan ubah bentuk kitaran, sifat penyerapan sel-sel ini dinilai [29,30]. Baru-baru ini, kemasukan domain crypt-villus dalam epitelium berbentuk tiub dengan setiap lumen fusible telah ditunjukkan untuk mengekalkan ciri corak sel stereotaip dengan potensi regeneratif diri [31].
Kajian in vitro mengenai interaksi hos-mikrobiota telah dihalang oleh ketidakupayaan model konvensional untuk mengekalkan mikrobiota kompleks yang berdaya maju selama beberapa hari. Walaupun sumbangan lapisan mukus kepada interaksi hos-mikrobiom sering diabaikan, baru-baru ini telah ditunjukkan bahawa integrasi lapisan mukus tebal - bertindak sebagai penghalang fisiologi antara bakteria dan epitelium usus - boleh melambatkan kerosakan halangan dan kebolehtelapan paraselular. [32,33]. Sehubungan itu, model mikrofluid yang canggih, HuMiX, membolehkan kultur langsung bakteria anaerobik dan sel usus dengan menggabungkan lapisan mukus berfungsi serta sesama berdenyut dan rangsangan mekanikal (Rajah 3B) [34].
Majoriti mikrobiota usus adalah anaerobes wajib yang memerlukan<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="">
Pembangunan bagibuah pinggangSistem -on-a-chip juga telah mencabar kerana kekurangan sel berfungsi untuk menyusun semula struktur multiselular secara in vitro dan kerumitan fungsi dalam nefron. Sehubungan itu, berbanding dengan peranti gut-on-a-chip, pembangunanbuah pinggangsistem -on-a-chip sedikit sebanyak ketinggalan. Sehingga kini, model fisiologi glomerular, tubul proksimal, dan tubul distal telah dibangunkan, tetapi penyepaduan semua komponen ke dalam cip nefron-on-a-chip yang lengkap masih perlu dicapai [38]. Menjadi relevan dari segi fisiologi, sebagai tambahan kepada kerumitan selular, biomimetikbuah pinggang-on-a-chip harus menyepadukan (i) interaksi sel-sel seperti antara podosit atau sel epitelium tubul proksimal dan endothelium (mikro)vaskular, (ii) kecerunan tekanan osmotik dan elektrokimia transselular yang memacu cecair dan metabolit merentasi ruang interstisial, (iii) sesama bendalir, dan (iv) susunan struktur tubul buah pinggang, serta (v) fungsi metabolik dan endokrin selular [38].
Tubul proksimal memainkan peranan penting dalam perkumuhan sisa metabolik dan penyerapan semula biomolekul dan oleh itu telah menjadi tumpuan utama kepentingan dalam pembangunan in vitro.buah pinggangsistem -on-a-cip yang menyusun semula dalam vivobuah pinggangtisu. Perkembangan fungsibuah pinggangtubul menggunakan sel tubul proksimal dengan gentian berongga biofungsional membolehkan Jansen dan rakan sekerja mengkaji pelepasan rembesan metabolit yang berasal dari mikrobiota usus. Sistem ini membolehkan penyelidik untuk menunjukkan bagaimana, melalui penderiaan jauh dan isyarat, sel tubul proksimal merasakan tahap tinggi indoksil sulfat dan dengan itu menyesuaikan ekspresi pengangkut yang bertanggungjawab untuk perkumuhan mereka dalam usaha untuk mengekalkan tahap metabolit dan homeostasis yang stabil [39].
Interaksi endothelium-ruang interstisial-epitelium mengawal pertukaran berterusan zat terlarut antara petak peredaran dan air kencing. Lin dan rakan sekerja berjaya membangunkan tubul proksimal bervaskular 3D yang boleh meresap yang dapat mensimulasikan, melalui pertukaran tubul–vaskulatur zat terlarut, fungsi penyerapan semula aktif bagibuah pinggang[40]. Model ini membenarkan kuantiti untuk pensijilan pengambilan albumin buah pinggang dan penyerapan semula glukosa dari semasa ke semasa, menawarkan alat yang menjanjikan untuk menyiasat fungsi fisiologi dan farmakologi buah pinggang (pato). Selain daripada pertukaran zat terlarut, yangbuah pinggangruang interstisial juga dianggap sebagai pusat kepada pembangunanbuah pinggangfifibrosis, ciri CKD. Ini dianggap disebabkan oleh parut pada ruang interstisial tubul akibat pengaktifan myofibroblast interstisial dan pemendapan ECM yang seterusnya. Namun begitu, hanya beberapa kajian telah melaporkan penyepaduannya ke dalam sistem in vitro 3D. Pengesahan model persekitaran mikro tubul/interstitium 3D yang mudah dan sangat boleh dihasilkan untuk kajian fifibrosis buah pinggang dalam sistem in vitro yang berkaitan secara fisiologi telah dilaporkan oleh Moll dan rakan sekerja [41]. Kajian ini menggunakan cisplatin untuk berjaya meniru kecederaan tubular akut. Replikasi in vitro bagi persekitaran mikro tubul renal/interstitium dicapai dengan menggunakan fibroblas dermal manusia dan bukannya fibroblas buah pinggang kerana bekas tersebut menyatakan tahap penanda fibrotik yang rendah di bawah keadaan basal. Walau bagaimanapun, walaupun had ini, sistem menunjukkan bahawa sel epitelium memainkan peranan penting dalam mencetuskan pengaktifan dan pembezaan myofifibroblast. Moll dan rakan sekerja cuba mengulangi kajian ini menggunakan fibroblas buah pinggang primer tetapi menemui kebolehubahan yang besar dalam keputusan. Memandangkan kepentingan ruang interstisial dalam CKD, kajian in vitro 3D selanjutnya akan diperlukan untuk menjelaskan peranannya dalam permulaan dan perkembangan penyakit.
Thebuah pinggangjuga mengaktifkan 25(OH)vitamin D melalui hidroksilasi pada kedudukan 1, menghasilkan 1,25 (OH)2vitamin D, hormon penting yang sering kekurangan dalam kalangan pesakit CKD dan yang boleh menjejaskan komposisi mikrobiota usus dan integriti penghalang. Baru-baru ini, perwakilan pada cip metabolisme hepatik danbuah pinggangpengaktifan vitamin D telah dibangunkan dengan memasukkan medium yang mengandungi vitamin D ke dalam cip mikrofluid, menunjukkan bahawa interaksi metabolik antara organ yang kompleks sangat boleh dicapai menggunakan teknologi MPS [42].
Dalam CKD, pengurangan dalam pengeluaran asid lemak rantai pendek (SCFA), dilengkapi dengan peningkatan serentak dalam pengeluaran toksin uremik dan pengumpulan sistemiknya [4], diandaikan memacu keadaan keradangan kronik yang tipikal CKD [4,43]. ]. Sesungguhnya, SCFA, terutamanya butirat, mempunyai kesan perlindungan nefroprotektif dan usus [4,44], dan tahap butirat yang tinggi telah dikaitkan dengan integriti penghalang usus dan peningkatan imuniti usus akibat sifat anti-radangnya [45]. Walau bagaimanapun, ini baru-baru ini dicanggah oleh Trapecar dan rakan sekerja yang, dalam pendekatan psikomimetik, menunjukkan bahawa SCFA boleh memburukkan lagi tindak balas keradangan dalam model usus-hati. Dengan menyambungkan dua plat pneumatik secara berasingan yang mewakili usus dan hati, sel T CD4 ditambah dan sel pembantu 17 T jenis radang (Th17) boleh beredar di dalam dan di antara dua petak. Kesan lawan SCFA mungkin berkaitan dengan tahap keradangan, dengan keadaan keradangan yang meningkat menghasilkan kesan yang lebih merosakkan [46].
Untuk pengetahuan kita, pada masa ini tiada MPS yang menangani kesan metabolit yang berasal dari usus pada usus,buah pinggang, atau organ lain, dengan pengesanan serentak biotransformasi mereka, dalam konteks CKD. Menala cip untuk menghitung semula dwiarah pengeluaran dan penyingkiran fluks metabolit dengan setia akan menjadi satu cabaran. Mengintegrasikan mikrobiota yang diperoleh daripada sampel najis pesakit CKD ke dalam sistem mikrobendalir usus akan membolehkan kami mengkaji perubahan dalam metabolisme mikrob dan menganalisis kesan langsung (dalam) mereka pada organ terpencil, satu ciri yang tidak boleh dicapai melalui eksperimen in vivo.
Kemajuan Teknologi Meningkatkan Nilai Translasi In Vivo MPS Mereka bentuk MPS adalah mencabar dan memerlukan pendekatan pelbagai disiplin. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa tiada MPS tunggal 'boleh melakukan semuanya, dan, bergantung pada aplikasi, sistem yang berbeza mungkin diperlukan. Kelebihan dan batasan sistem yang tersedia untuk menangani usus-buah pinggangpaksi diringkaskan dalam Jadual 1. Salah satu cabaran yang paling biasa dalam bidang ini adalah untuk mereka bentuk sistem yang kompleks secara biologi dan cukup mudah dari segi teknikal untuk diwujudkan dalam makmal kultur sel.
Kumpulan Ingber (Wyss Institute, USA) telah menubuhkan protokol yang dioptimumkan dengan baik untuk pengkulturan sel, menyambungkan komponen mikrobendalir ke cip, dan pensampelan [16-18,47]. Walaupun berteknologi maju, sistem mikrobendalir mereka memerlukan latihan penting bagi pengendali bukan teknikal, walaupun untuk ujian mikrobendalir automatik [47]. Cip multiorgan tanpa pam, yang dipelopori oleh makmal Shuler (Universiti Cornell, Amerika Syarikat), serta oleh syarikat seperti Hesperos Inc. (Rajah 3E) dan InSphero, meningkatkan daya pemprosesan dengan mengorbankan kawalan terhad ke atas sesama dan kerumitan peranti [48] (https://hesperosinc.com/). Walaupun terhad dalam mereplikasi isyarat biofizikal, MPS yang dibangunkan oleh makmal Griffith (Institut Teknologi Massachusetts, Amerika Syarikat) menggunakan lebih banyak protokol konvensional, contohnya, dengan membolehkan akses terus kepada analog tisu dan dengan menggunakan sisipan Transwell® standard yang diubah suai (Rajah 3C, D) [37,49].
Syarikat-syarikat inovatif telah membangunkan platform multiorgan yang serupa, seperti TissUse®. Pam pada cip mereka menyambungkan organ dan menjadikan sistem kurang terdedah kepada perangkap gelembung dan kebocoran. Walau bagaimanapun, peranti ini menawarkan penghalaan mikrofluidik terhad, contohnya, sesama apikal dalam model usus kurang, dan penyesuaian model tisu adalah sukar.
Satu lagi cabaran utama ialah bahan cip. PDMS adalah antara bahan yang paling kerap digunakan kerana kebolehtelapan oksigen yang sangat baik, kejelasan optik dan sifat prototaip. Walau bagaimanapun, kebolehtelapan oksigen adalah kelemahan apabila mengkultur mikrobiom anaerob obligat dengan sel-sel usus [20,37]. Dalam menguji sebatian hidrofobik, contohnya, dalam kajian ketoksikan atau keberkesanan ubat, PDMS tidak disyorkan kerana ia menyerap molekul hidrofobik kecil. Oleh itu, MPS yang terdiri daripada lebih banyak bahan lengai, yang menghalang pengikatan tidak spesifik sebatian, adalah yang paling boleh dipercayai. Sebagai contoh, Edington dan rakan sekerja membangunkan platform mikrobendalir berasaskan polistirena bagi MPS yang saling berkaitan dalam usaha untuk mencipta semula fisiom-pada-cip yang boleh menjana profil pengedaran molekul kompleks untuk aplikasi penemuan ubat lanjutan [50].
Pembangunan platform dengan sensor bersepadu (oksigen, urea, laktat, atau glukosa), dan/atau ketelusan optik, telah memudahkan analitik selular bukan invasif masa nyata (Kotak 3) [51,52]. Platform dengan penderiaan modular bersepadu sepenuhnya baru-baru ini telah dibangunkan. Ini mengendalikan unit MPS secara berterusan, dinamik dan automatik, dan termasuk penderia fizikal untuk memantau persekitaran mikro ekstraselular, penderia biokimia untuk mengukur biomarker larut, mikroskop kecil untuk menangkap perubahan morfologi dan papan roti penghalaan mikrofluidik untuk mengarahkan cecair tepat pada masanya. cara [53].
Analisis pengiraan juga perlu untuk menentukan sama ada data eksperimen yang diperolehi MPS boleh diekstrapolasi kepada prestasi in vivo [54]. Oleh itu, penyepaduan algoritma pembelajaran mesin (dalam pemodelan silico) harus menjadi komponen strategik MPS [55]. Model pengiraan boleh diselaraskan untuk membantu menyelesaikan batasan MPS yang dikaitkan secara eksperimen dan membawa data dalam julat kajian haiwan dan kaedah ekstrapolasi [54]. Ramalan yang diperoleh daripada kajian dalam silico boleh memberikan maklum balas untuk menambah baik model MPS [55]. Sebagai contoh, kajian dalam silico boleh digunakan untuk memodelkan motilitas sel imun berikutan kerosakan halangan usus dan meramalkan tingkah laku sel apabila terdedah kepada parameter atau biomolekul tertentu [56-59].
Ucapan Penutup dan Perspektif Masa Depan
Sepanjang abad yang akan datang, kelaziman CKD diramalkan meningkat secara drastik di seluruh dunia, menimbulkan cabaran ekonomi dan masyarakat yang ketara. Tanpa mengira negara asal, kos penjagaan kesihatan dan masyarakat tahunan telah didapati meningkat selari dengan perkembangan CKD [60], menonjolkan keperluan mendesak untuk platform model penyakit di mana untuk mengkaji patofisiologi CKD dan mengenal pasti sasaran terapeutik yang berpotensi.
Namun begitu, banyak cabaran masih perlu ditangani, dan beberapa isu mesti diselesaikan sebelum MPS boleh dibangunkan yang memodelkan CKD dengan tepat (lihat Soalan Cemerlang). Sebagai contoh, peristiwa awal yang mendorong permulaan CKD kekal tidak diketahui, menjadikan pemodelan permulaan CKD dalam MPS mencabar.buah pinggangkecederaan yang membawa kepada perkembangan CKD adalah pelbagai sifat dan selalunya melibatkan komponen kardiovaskular, menjadikan perwakilannya lebih sukar. Di samping itu, komposisi mikrobiom usus adalah kompleks dan mencabar untuk membiak; walau bagaimanapun, ia adalah keperluan penting untuk model penyakit CKD. Perkembangan terbaru MPS yang berjaya yang mengintegrasikan bakteria anaerobik telah dimungkinkan dengan penyepaduan biosensor untuk penderiaan oksigen, serta dengan kemasukan aliran terkawal dan lapisan mukus yang mengurangkan pertumbuhan berlebihan bakteria dan mengehadkan kerosakan sel usus (Jadual 1). Walau bagaimanapun, konsortium bakteria anaerobik yang luas dalam sistem masih perlu dicapai, walaupun ini diperlukan untuk perwakilan fisiologi mikrobiom usus. Isu dengan bahan serap dan telap udara juga merupakan halangan utama dalam lapangan, mencabar kesesuaian sistem untuk pertumbuhan bakteria anaerobik atau untuk menguji sebatian lipofilik. Perkaitan perhubungan organ telah diketengahkan dengan kuat dalam ulasan ini; Oleh itu, adalah amat penting untuk mengintegrasikan sistem peredaran darah dan imun dalam MPS, tetapi ini telah dimasukkan ke dalam beberapa model sahaja.
Dengan mempertingkatkan antara disiplin, penyepaduan pencetakan bio, biobahan dan biosensor untuk pemantauan masa nyata persekitaran mikro boleh menangani ciri anatomi dan biokimia, serta kerumitan, sistem yang diperlukan untuk meningkatkan perkaitan fisiologinya. Apabila teknologi MPS berkembang, di samping trend semasa ke arah pendekatan pelbagai disiplin yang dipertingkatkan, soalan-soalan yang tidak terjawab ini akhirnya akan ditangani.
Ucapan terima kasih
Projek ini menerima pembiayaan daripada program penyelidikan dan inovasi EU Horizon 2020 di bawah perjanjian geran Marie Skłodowska Curie STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329), serta panggilan WIDESPREAD-05-2018-TWINNING REMODEL (857491). Kerja ini disokong lagi oleh Belandabuah pinggangAsas (DKF, 17OI13). RM ialah ahli Kumpulan Kerja EUTox yang disokong oleh ESAO/ERA-EDTA.
Rujukan
1. Himmelfarb, J. et al. (2020) Landskap semasa dan masa depan dialisis. Nat. Rev. Nephrol. 16, 573–585
2. Evenepoel, P. et al. (2017) The gut–buah pinggangpaksi. Pediatr. Nephrol. 32, 2005–2014
3. De Sordi, L. et al. (2017) Mikrobiota usus memudahkan hanyut dalam kepelbagaian genetik dan infektiviti virus bakteria. Mikrob Hos Sel 22, 801–808
4. Rukavina Mikusic, NL et al. (2020) Mikrobiota usus, dan kronikbuah pinggangpenyakit: bukti dan mekanisme yang menjadi pengantara yang baru
komunikasi dalam paksi gastrousus-renal. Gerbang Pflugers. 472, 303–320
5. Nigam, SK and Bush, KT (2019) Sindrom Uraemik kronikbuah pinggangpenyakit: penderiaan jauh dan isyarat yang diubah. Nat. Rev. Nephrol. 15, 301–316
6. Okada, H. et al. (2020) Perkara penting daripada Garis Panduan Amalan Klinikal Berasaskan Bukti untuk Kronikbuah pinggangPenyakit 2018. Clin. Exp. Nephrol. 23, 1–15
7. Becker, GJ and Hewitson, TD (2013) Model haiwan kronikbuah pinggangpenyakit: berguna tetapi tidak sempurna. Nephrol. Dail. Pemindahan. 28, 2432–2438
8. Faria, J. et al. (2019)buah pinggang-berasaskan model in vitro untuk ujian ketoksikan akibat dadah. Gerbang. Toksik. 93, 3397–3418
9. Beebe, DJ et al. (2002) Fizik dan aplikasi mikrobendalir dalam biologi. Annu. Rev. Biomed. En. 4, 261–286
10. Zhang, B. et al. (2018) Kemajuan dalam kejuruteraan organ-on-a-chip. Nat. Rev. Mater. 3, 257–278
11. Lin, B. and Levchenko, A. (2015) Manipulasi spatial dengan mikrobendalir. Depan. Bioeng. Bioteknol. 3, 39
12. Yum, K. et al. (2014) Organ yang berkaitan secara fisiologi pada kerepek. Bioteknol. J. 9, 16–27
13. Huh, D. et al. (2010) Menyusun semula fungsi paru-paru peringkat organ pada cip. Sains 328, 1662–1668
14. Lee, SH and Sung, JH (2018) Teknologi organ-on-a-chip untuk menghasilkan semula fisiologi multiorgan. Adv. Kesihatanc. Mater. 7, 1700419
15. Sung, JH et al. (2019) Kemajuan terkini dalam sistem body-on-a-chip. dubur. Kimia. 91, 330–351
16. Kim, HJ et al. (2012) Usus manusia yang didiami oleh flora mikrob yang mengalami gerakan dan aliran seperti peristalsis usus. Cip Makmal 12, 2165–2174
17. Kim, HJ and Ingber, DE (2013) Persekitaran mikro Gut-on-a-Chip mendorong sel-sel usus manusia untuk menjalani pembezaan vilus. Integer. biol. (Camb) 5, 1130–1140
18. Kim, HJ et al. (2016) Sumbangan mikrobiom dan ubah bentuk mekanikal kepada pertumbuhan berlebihan bakteria usus dan keradangan dalam usus manusia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113, E7–E15
19. Jalili-Firoozinezhad, S. et al. (2019) Mikrobiom usus manusia kompleks yang dibiakkan dalam usus anaerobik pada cip. Nat. Berbiomed. En. 3, 520–531
20. Creff, J. et al. (2019) Pembuatan perancah 3D yang menghasilkan semula topografi epitelium usus dengan stereolitografi 3D resolusi tinggi. Biobahan 221, 119404