Mikrofyziologické systémy na rekapituláciu osi čreva a obličiek
Mar 18, 2022
Laura Giordano,1,3Silvia Maria Mihaila,1,3Hossein Eslami Amirabadi,1,2a Rosalinde Masereeuw
Chronickýobličkyochorenie (CKD) sa zvyčajne objavuje popri iných komorbiditách, čo poukazuje na základnú komplexnú patofyziológiu, o ktorej sa predpokladá, že je značne modulovaná obojsmerným črevom –obličkypresluchy. Kombináciou pokrokov v tkanivovom inžinierstve, výrobe, mikrofluidike a biosenzoroch sa mikrofyziologické systémy (MPS) ukázali ako sľubné prístupy na emuláciu in vitro prepojenia viacerých orgánov, pričom sa riešia obmedzenia zvieracích modelov. Napodobňovanie (pato)fyziologických stavov osi črevo – obličky in vitro vyžaduje MPS, ktorá dokáže simulovať nielen tento priamy obojsmerný presluch, ale aj príspevky iných fyziologických účastníkov, ako sú pečeň a imunitný systém. Diskutujeme o nedávnom vývoji v tejto oblasti, ktorý by mohol potenciálne viesť k in vitro modelovaniu osi črevo-obličky pri CKD.
Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com
Cistanche tubulosa zabraňuje ochoreniu obličiek, kliknite sem a získajte vzorku
Chronické ochorenie obličiek: metabolická porucha s narušenou medziorgánovou a medziorganizmovou signalizáciou
Chronickýobličkychoroba (CKD) je najrozšírenejšiaobličkyochorenie a je charakterizované postupnou stratou funkcie orgánov v priebehu času, čo zhoršuje schopnosť filtrovať metabolické splodiny z krvi (rámček 1). Obličky majú mnoho vysoko špecializovaných funkcií, ako je filtrácia krvi a aktívna sekrécia na odstraňovanie metabolického odpadu, reabsorpcia základných živín, udržiavanie objemu krvi a homeostázy elektrolytov a metabolická a endokrinná aktivita [1].
Predpokladá sa, že komplexná a záhadná patofyziológia CKD je modulovanáobličkypresluchy s viacerými orgánmi a systémami, najmä prostredníctvom obojsmernej medziorgánovej komunikácie s gastrointestinálnym traktom, označovanej ako os črevo – obličky[2]. V ľudskom čreve sa nachádza komplexná komunita mikróbov, ktoré žijú v komenzálnom vzťahu so svojím hostiteľom [3] a poskytujú významné a jedinečné príspevky k ľudskému metabolómu (pozri Slovník). V symbióze zabezpečuje črevná absorpcia príjem prospešných mikrobiálnych metabolitov, zatiaľ čo obličky udržiavajú homeostázu vylučovaním potenciálne toxických konečných produktov metabolizmu. Naopak, zlyhanie obličiek vedie k akumulácii metabolitov odvodených z črevnej mikrobioty (tj uremických toxínov), čo vedie k rozvoju uremického syndrómu. Táto komplikácia prispieva k črevnej dysbióze, ktorá nepriaznivo ovplyvňuje zápalové, endokrinné a neurologické dráhy zapojené do nástupu a progresie CKD (rámček 2 a obrázok 1)[4]. Celkovo možno na CKD nazerať ako na metabolickú poruchu, ktorá odráža narušený medziorgánový a medziorganizmový tok metabolitov a signálnych molekúl sprevádzaný nadmernou aktiváciou imunitného systému (obrázok 2). V súlade s tým ústredná úloha diaľkovej signalizácie čreva a obličiek prostredníctvom uremických toxínov [5] vyvoláva potrebu ďalej charakterizovať črevný metabolóm pri CKD.
tradičneobličkyvýskum chorôb sa vo veľkej miere opieral o klinické [6] a štúdie na zvieratách [7], ktoré ponúkajú obmedzenú kontrolu nad experimentálnymi parametrami a majú vysokú medzidruhovú variabilitu. Vzhľadom na nedostatok vhodných experimentálnych modelov in vitro existuje v súčasnosti nevyhnutná potreba systémov bunkových kultúr, ktoré dokážu zachytiť rôzne aspekty funkcie orgánov in vivo pomocou vysoko kontrolovaných a špecializovaných kultivačných mikroprostredí, vrátane 3D skeletov a mikrofluidík [8]. ]. Vzhľadom na pokroky v mnohobunkovej kultivácii a biovýrobe, integráciu funkcií monitorovania v reálnom čase a nezávislú kontrolu experimentálnych parametrov je zachytenie zložitosti ľudskej fyziológie in vitro určite v nedohľadne. Poskytujeme komplexný prehľad najcharakteristickejších a najnovších pokrokov v oblasti 3D modelov in vitro a zdôrazňujeme ich význam pre vývoj 3D obojsmerného systému osi čreva a obličiek. Diskutujeme aj o hlavných prekážkach, ktoré to so sebou prináša, ako ich prekonať a ponúkame nové pohľady na súčasné smerovanie tejto oblasti v kontexte CKD.
Mikrofyziologické modely na rozlúštenie komplexných orgánových prepojení
Nástup mikrografických sociologických systémov (MPS), označovaných aj ako organ-on-chips (OOC), vytvoril nové možnosti na štúdium fyziologických procesov zapojených do jednotlivých orgánov a presluchu medzi orgánmi. Objavuje sa celý rad rôznych multi-MPS, ktoré podporujú prístup „fyziom na čipe“ na simuláciu funkčných jednotiek orgánov, ako aj presluchov medzi nimi, namiesto toho, aby sa zamerali na reprodukciu celého orgánu (orgánov). Z technického hľadiska MPS často pozostávajú z jedného alebo viacerých mikrofluidných kanálikov s rozmermi prierezu stoviek mikrometrov, v ktorých (re)cirkulujú malé objemy (nanolitry až mikrolitre). Zabezpečením úzkeho kontaktu medzi bunkami tieto objemy umožňujú zachytiť dynamickú súhru bunka-bunka a zároveň zabezpečiť minimálnu spotrebu činidla a riedenie zlúčeniny [9,10]. Pridané laminárne prúdenie môže nepretržite zásobovať bunky čerstvými živinami a kyslíkom a súčasne odstraňovať odpadové produkty a môže vytvárať presné časopriestorové chemické a mechanické gradienty v ich blízkosti [11]. Fyzikálna izolácia rôznych tkanivových analógov sa dosahuje kompartmentalizáciou na mikrokanály oddelené tenkými poréznymi membránami alebo vrstvami extracelulárnej matrice (ECM) [12].
Vytvorenie platformy pľúca na čipe, v ktorej sa kombinovalo mechanické napätie a viaceré typy buniek, aby napodobňovali dýchanie pľúc, bolo priekopníkom vo vývoji biologicky inšpirovaných MPS [13]. Odvtedy pokrok v mikrofluidnej manipulácii umožnil prepojiť rôzne modely orgánov a kontrolovať ich presluchy v rámci jedného alebo viacerých zariadení [14,15]. Najnovší vývoj v tejto oblasti nás vedie k diskusii o týchto pokrokoch v súvislosti s modelovaním čriev –obličkyosi v CKD a preskúmať požiadavky MPS na podporu medziorgánovej komunikácie, pričom treba vziať do úvahy aj synergický prístup ich kombinovania v rámci silico modelov.
Na ceste k replikácii osi čreva a obličiek pomocou MPS
Integráciou mikrofluidiky, tkanivového inžinierstva a mikroelektromechanických systémov bolo vytvorených niekoľko systémov „gut-on-a-chip“. Medzi najreprezentatívnejšími konfiguráciami, črevo na čipe z Wyss Institute (USA) úspešne napodobňovalo dynamické ľudské črevné mikroprostredie prostredníctvom aplikácie fyziologicky relevantných mechanických síl podobných tekutinám a peristaltike, čo podporovalo diferenciáciu buniek na klky. - a kryptom podobné štruktúry, tvorba hrubej epitelovej monovrstvy a zvýšená bunková funkcia (obrázok 3A) [16–19]. Nedávno sa topologické črty ukázali ako kľúčové pri riadení funkcie bunky, ale len niekoľko štúdií sa pokúsilo replikovať architektúru krypt-klkov v mikrofluidných systémoch, ktoré sa teraz dajú ľahko získať prostredníctvom 3D stereolitografie s vysokým rozlíšením [20], fotolitografie [21 ] a mikroformovanie zosieťovaných hydrogélov [22]. V súčasnosti sa napodobňovanie štruktúr podobných črevným tubulom rieši kultiváciou črevných buniek na apikálnej strane membránového systému s dutými vláknami [23,24] alebo v lúmene mikrokanálov [25]. Pridanie povlaku ECM a jednosmerného apikálneho chlapca viedlo k fenotypu zrelého črevného tubulu so štruktúrami podobnými klkom. Vystavenie toxínu A secernovanému Clostridium difficile, prirodzenému črevnému faktoru virulencie a narušiteľovi črevnej bariéry pri dysbióze, alebo metabolitu odvodenému z črevnej mikrobioty, p-krezolu, viedla k zvýšenej permeabilite bariéry [23,24]. Súčasne sa p-krezol premenil na p-krezylsulfát a p-krezylglukuronid, koncové metabolity, ktoré sa akumulujú v plazme počas progresie CKD, pravdepodobne prostredníctvom metabolizmu sprostredkovaného cytochrómom P450-, po ktorom nasleduje konjugácia, čím sa zdôrazňuje prínos čreva k biotransformácii metabolitov odvodených z črevnej mikrobioty na uremické toxíny [23].
Zložitosť a rozmanitosť črevného epitelu možno spoľahlivo rekapitulovať použitím 3D organoidov ľudského tkaniva [26,27]. Ich použitie sa však ukázalo ako náročné, pretože ich uzavretá konfigurácia zvonka bráni transportným štúdiám a vystaveniu komenzálnym a patogénnym baktériám. Napriek tomu Thorne a spolupracovníci ukázali, že prostredníctvom enzymatickej disociácie organoidov boli primárne črevné bunky schopné samoorganizovať sa a de novo segregovať do nediferencovaných alebo diferencovaných oblastí, pričom vytvorili kompartmenty podobné nike [28]. Integráciou samostatného mikrovaskulárneho endotelu kultivovaného pod nezávislou spoločnou a cyklickou deformáciou sa hodnotili absorpčné vlastnosti týchto buniek [29,30]. Nedávno sa preukázalo, že zahrnutie domén krypt-klkov do trubicovitého epitelu s per taviteľným lúmenom podporuje stereotypné vlastnosti bunkového vzorovania so samoregeneračným potenciálom [31].
Štúdiu interakcií hostiteľ-mikrobiota in vitro bránila neschopnosť konvenčných modelov udržať životaschopnú komplexnú mikroflóru niekoľko dní. Hoci sa príspevok vrstvy hlienu k interakciám hostiteľ-mikrobióm často prehliadal, nedávno sa preukázalo, že integrácia hrubej vrstvy hlienu – pôsobí ako fyziologická bariéra medzi baktériami a črevným epitelom – by mohla oddialiť poškodenie bariéry a paracelulárnu permeabilitu. [32,33]. Sofistikovaný mikrofluidný model HuMiX teda umožnil priamu kokultiváciu anaeróbnych baktérií a črevných buniek začlenením funkčnej vrstvy hlienu, ako aj pulzujúcej a mechanickej stimulácie (obrázok 3B) [34].
Väčšina črevnej mikroflóry sú povinné anaeróby, ktoré vyžadujú<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="">
VývojobličkySystémy -on-a-chip boli tiež náročné z dôvodu nedostatku funkčných buniek, ktoré by in vitro rekapitulovali mnohobunkovú štruktúru a funkčnú komplexnosť v rámci nefrónu. V súlade s tým, vzhľadom na zariadenie črevo na čipe, vývojobličky-on-a-chip systémy do istej miery zaostáva. Doteraz boli vyvinuté modely fyziológie glomerulárnych, proximálnych a distálnych tubulov, ale integráciu všetkých komponentov do kompletného nefrónu na čipe ešte treba dosiahnuť [38]. Aby boli fyziologicky relevantné, okrem bunkovej komplexnosti, biomimetikumobličky-on-a-chip by mala integrovať (i) interakcie bunka-bunka, ako sú interakcie medzi podocytmi alebo epitelovými bunkami proximálneho tubulu a (mikro)vaskulárnym endotelom, (ii) transcelulárne elektrochemické a osmotické tlakové gradienty, ktoré poháňajú tekutiny a metabolity cez intersticiálny priestor, (iii) tekutina a (iv) štrukturálne usporiadanie obličkových tubulov, ako aj (v) bunkové metabolické a endokrinné funkcie [38].
Proximálny tubul hrá kľúčovú úlohu pri vylučovaní metabolického odpadu a reabsorpcii biomolekúl, a preto je hlavným predmetom záujmu pri vývoji in vitroobličky-systémy na čipe, ktoré rekapitulujú in vivoobličkytkaniva. Rozvoj funkčnýchobličkytubuly pomocou buniek proximálnych tubulov s biofunkcionalizovanými dutými vláknami umožnili Jansenovi a spolupracovníkom študovať sekrečný klírens metabolitov odvodených z črevnej mikrobioty. Tento systém umožnil výskumníkom demonštrovať, ako prostredníctvom diaľkového snímania a signalizácie bunky proximálnych tubulov snímajú zvýšené hladiny indoxylsulfátu a podľa toho upravujú expresiu transportérov zodpovedných za ich vylučovanie v snahe udržať stabilné hladiny metabolitov a homeostázu [39].
Interakcie endotel-intersticiálny priestor-epitel riadia kontinuálnu výmenu rozpustených látok medzi obehovým a močovým kompartmentom. Lin a spolupracovníci úspešne vyvinuli perfúzny 3D vaskularizovaný proximálny tubul, ktorý bol schopný simulovať prostredníctvom výmeny tubulov a vaskulatúr aktívnu reabsorpčnú funkciuobličky[40]. Tento model umožňuje množstvo na certifikáciu príjmu albumínu obličkami a reabsorpcie glukózy v priebehu času, čo ponúka sľubný nástroj na skúmanie (pato)fyziologických funkcií a farmakológie obličiek. Okrem výmeny rozpustených látok,obličkyintersticiálny priestor sa tiež považuje za ústredný prvok rozvojaobličkyfibróza, charakteristický znak CKD. Predpokladá sa, že je to spôsobené zjazvením intersticiálneho priestoru tubulov v dôsledku aktivácie intersticiálnych myofibroblastov a následného ukladania ECM. Napriek tomu len niekoľko štúdií uviedlo jeho integráciu do 3D in vitro systémov. Validáciu jednoduchého a vysoko reprodukovateľného 3D modelu mikroprostredia tubul/interstícia na štúdium fibrózy obličiek vo fyziologicky relevantnom in vitro systéme opísali Moll a spolupracovníci [41]. Táto štúdia použila cisplatinu na úspešné napodobenie akútneho tubulárneho poškodenia. In vitro replikácia mikroprostredia renálneho tubulu/interstícia sa dosiahla použitím ľudských dermálnych fibroblastov namiesto renálnych fibroblastov, pretože prvé exprimujú nízke hladiny fibrotických markerov za bazálnych podmienok. Napriek tomuto obmedzeniu systém preukázal, že epitelové bunky hrajú ústrednú úlohu pri spúšťaní aktivácie a diferenciácie myofifibroblastov. Moll a spolupracovníci sa pokúsili zopakovať túto štúdiu s použitím primárnych renálnych fibroblastov, ale vo výsledkoch sa stretli s veľkou variabilitou. Vzhľadom na dôležitosť intersticiálneho priestoru pri CKD budú potrebné ďalšie 3D in vitro štúdie na objasnenie jeho úlohy pri nástupe a progresii ochorenia.
Theobličkytiež aktivovať 25(OH)vitamín D hydroxyláciou v polohe 1, čo vedie k 1,25(OH)2vitamínu D, esenciálnemu hormónu, ktorý je u pacientov s CKD často deficitný a ktorý môže ovplyvniť zloženie črevnej mikroflóry a integritu bariéry. Nedávno sa na čipe objavila reprezentácia pečeňového metabolizmu aobličkyaktivácia vitamínu D bola vyvinutá perfúziou média obsahujúceho vitamín D do mikrofluidného čipu, čo naznačuje, že komplexné medziorgánové metabolické interakcie sú vysoko dosiahnuteľné pomocou technológií MPS [42].
Pri CKD sa predpokladá, že zníženie produkcie mastných kyselín s krátkym reťazcom (SCFA) doplnené súčasným zvýšením produkcie uremických toxínov a ich systémovou akumuláciou [4] poháňa chronický zápalový stav, ktorý je typický pre CKD [4,43 ]. SCFA, najmä butyrát, majú nefroprotektívne aj črevné ochranné účinky [4,44] a vysoké hladiny butyrátu sa spájajú s integritou črevnej bariéry a zlepšením črevnej imunity v dôsledku jeho protizápalových vlastností [45]. Napriek tomu to bolo nedávno v rozpore s Trapecarom a spolupracovníkmi, ktorí v psychomimetickom prístupe preukázali, že SCFA môžu zhoršiť zápalovú reakciu v modeli čreva a pečene. Spojením dvoch pneumatických doštičiek oddelene reprezentujúcich črevo a pečeň, CD4 plus T bunky a zápalové T pomocné bunky typu 17 (Th17) mohli cirkulovať v rámci a medzi týmito dvoma oddeleniami. Protichodné účinky SCFA môžu korelovať so stupňom zápalu, pričom zvýšený zápalový stav spôsobuje škodlivejší účinok [46].
Pokiaľ je nám známe, v súčasnosti neexistuje žiadny MPS, ktorý by riešil účinky metabolitov odvodených z čreva na črevá,obličkyalebo iných orgánov so súčasným sledovaním ich biotransformácie v kontexte CKD. Vyladiť čip tak, aby verne rekapituloval obojsmernosť výroby a odstraňovania tokov metabolitov, bude výzvou. Integrácia mikrobioty odvodenej zo vzoriek stolice pacientov s CKD do črevného mikrofluidného systému by nám umožnila študovať zmeny v mikrobiálnom metabolizme a analyzovať ich (ne)priame účinky na vzdialené orgány, čo je vlastnosť, ktorú nie je možné dosiahnuť prostredníctvom experimentov in vivo.
Technologický pokrok Zvyšovanie translačnej hodnoty MPS in vivo Navrhovanie MPS je náročné a vyžaduje si multidisciplinárny prístup. Je dôležité poznamenať, že žiadny jednotlivý MPS to všetko nedokáže a v závislosti od aplikácie môžu byť potrebné rôzne systémy. Výhody a obmedzenia dostupných systémov na boj s črevom –obličkyos sú zhrnuté v tabuľke 1. Jednou z najbežnejších výziev v tejto oblasti je navrhnúť systém, ktorý je biologicky zložitý a dostatočne technicky jednoduchý na to, aby sa dal zaviesť v laboratóriách na kultiváciu buniek.
Skupina Ingber (Wyss Institute, USA) zaviedla dobre optimalizované protokoly na kultiváciu buniek, pripojenie mikrofluidných komponentov k čipu a odber vzoriek [16–18,47]. Aj keď sú technologicky vyspelé, ich mikrofluidný systém vyžaduje značné školenie netechnických operátorov, dokonca aj pre automatické mikrofluidné testy [47]. Bezpumpové multiorgánové čipy, propagované laboratóriom Shuler (Cornell University, USA), ako aj spoločnosťami ako Hesperos Inc. (obrázok 3E) a InSphero, zvyšujú priepustnosť na úkor obmedzenej kontroly nad kolegom a zložitosťou zariadenia [48]. (https://hesperosinc.com/). Hoci je MPS vyvinutý laboratóriom Griffith (Massachusetts Institute of Technology, USA) obmedzený na replikáciu biofyzikálnych podnetov, využíva konvenčnejšie protokoly, napríklad tým, že umožňuje priamy prístup k tkanivovému analógu a používa modifikované štandardné vložky Transwell® (obrázok 3C, D) [37,49].
Inovatívne spoločnosti podobne vyvinuli multiorgánové platformy, ako je TissUse®. Ich pumpy na čipe spájajú orgány a robia systém menej náchylným na zachytávanie bublín a únik. Tieto zariadenia však ponúkajú obmedzené mikrofluidné smerovanie, napríklad chýba apikálny muž v modeli čreva a prispôsobenie modelov tkaniva je ťažké.
Ďalšou veľkou výzvou je materiál čipu. PDMS patrí medzi najčastejšie používané materiály pre svoju vynikajúcu priepustnosť pre kyslík, optickú čistotu a prototypové vlastnosti. Pri kokultivácii obligátneho anaeróbneho mikrobiómu s črevnými bunkami je však nevýhodou priepustnosť kyslíka [20,37]. Pri testovaní hydrofóbnych zlúčenín, napríklad v štúdiách toxicity alebo účinnosti liekov, sa PDMS neodporúča, pretože absorbuje malé hydrofóbne molekuly. Najspoľahlivejšie sú teda MPS zložené z inertnejších materiálov, ktoré zabraňujú nešpecifickej väzbe zlúčenín. Napríklad Edington a spolupracovníci vyvinuli mikrofluidnú platformu prepojených MPS na báze polystyrénu v snahe znovu vytvoriť fyzióm na čipe, ktorý dokáže generovať komplexné profily molekulárnej distribúcie pre pokročilé aplikácie na objavovanie liekov [50].
Vývoj platforiem s integrovanými senzormi (kyslík, močovina, laktát alebo glukóza) a/alebo optická transparentnosť uľahčili neinvazívnu bunkovú analýzu v reálnom čase (rámček 3) [51,52]. Nedávno bola vyvinutá platforma s plne integrovaným modulárnym snímaním. Toto prevádzkuje jednotky MPS nepretržitým, dynamickým a automatizovaným spôsobom a zahŕňa fyzické senzory na monitorovanie extracelulárneho mikroprostredia, biochemické senzory na meranie rozpustných biomarkerov, miniatúrne mikroskopy na zachytenie morfologických zmien a mikrofluidný smerovací prúžok na včasné smerovanie tekutín. spôsobom [53].
Výpočtová analýza je tiež potrebná na zistenie, či experimentálne údaje odvodené od MPS možno extrapolovať na výkon in vivo [54]. Preto by sa integrácia algoritmov strojového učenia (in silico modelovanie) mala stať strategickou súčasťou MPS [55]. Výpočtový model možno upraviť tak, aby pomohol vyriešiť obmedzenia experimentálne prepojených MPS a priviedol údaje do rozsahu štúdií na zvieratách a extrapolačných metód [54]. Predpovede získané zo štúdií in silico môžu poskytnúť spätnú väzbu na ďalšie zlepšenie modelov MPS [55]. Napríklad štúdie in silico by sa mohli použiť na modelovanie motility imunitných buniek po poškodení črevnej bariéry a na predpovedanie správania buniek po vystavení špecifickým parametrom alebo biomolekulám [56–59].
Záverečné poznámky a perspektívy do budúcnosti
V priebehu budúceho storočia sa predpokladá, že prevalencia CKD sa celosvetovo drasticky zvýši, čo bude predstavovať významné ekonomické a spoločenské výzvy. Bez ohľadu na krajinu pôvodu sa zistilo, že ročné náklady na zdravotnú starostlivosť a spoločenské náklady sa zvyšujú súbežne s progresiou CKD [60], čo poukazuje na naliehavú potrebu platformy pre model choroby, v ktorej by bolo možné študovať patofyziológiu CKD a identifikovať potenciálne terapeutické ciele.
Napriek tomu je potrebné vyriešiť mnoho problémov a je potrebné vyriešiť niekoľko problémov, kým sa vyvinú MPS, ktoré presne modelujú CKD (pozri Nevyriešené otázky). Napríklad počiatočné udalosti, ktoré vedú k nástupu CKD, zostávajú neznáme, čo sťažuje modelovanie nástupu CKD v MPS.Obličkyporanenia, ktoré vedú k rozvoju CKD, majú rôznorodý charakter a často zahŕňajú kardiovaskulárny komponent, čo sťažuje ich reprezentáciu. Okrem toho je zloženie črevného mikrobiómu zložité a náročné na reprodukciu; napriek tomu je to základná požiadavka pre model ochorenia CKD. Najnovší úspešný vývoj MPS, ktoré integrujú anaeróbne baktérie, bol umožnený integráciou biosenzorov na snímanie kyslíka, ako aj zahrnutím kontrolovaných tokov a vrstvy hlienu, ktoré znižujú premnoženie baktérií a obmedzujú poškodenie črevných buniek (tabuľka 1). Zostáva však dosiahnuť široké anaeróbne bakteriálne konzorciá v rámci systémov, aj keď to bude potrebné pre fyziologickú reprezentáciu črevného mikrobiómu. Problémy s absorpčnými a vzduchom priepustnými materiálmi tiež predstavujú veľkú prekážku v tejto oblasti, ktorá spochybňuje vhodnosť systémov na rast anaeróbnych baktérií alebo na testovanie lipofilných zlúčenín. V tomto prehľade bol dôrazne zdôraznený význam prepojenia orgánov; je preto mimoriadne dôležité integrovať obehový a imunitný systém do MPS, ale tieto boli začlenené len do niekoľkých modelov.
Posilnením interdisciplinarity by integrácia biotlače, biomateriálov a biosenzorov na monitorovanie mikroprostredia v reálnom čase mohla riešiť anatomické a biochemické vlastnosti, ako aj zložitosť systémov, ktoré sú potrebné na zvýšenie ich fyziologického významu. Ako technológia MPS napreduje, spolu so súčasným trendom smerom k rozšíreným multidisciplinárnym prístupom, budú nakoniec vyriešené aj tieto nezodpovedané otázky.
Poďakovanie
Tento projekt získal finančné prostriedky z výskumného a inovačného programu EÚ Horizont 2020 v rámci grantovej dohody Marie Skłodowska Curie STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329), ako aj výzvy WIDESPREAD-05-2018-TWINNING REMODELOVAŤ (857491). Túto prácu ďalej podporili HolanďaniaObličkyNadácia (DKF, 17OI13). RM je členom pracovnej skupiny EUTox schválenej ESAO/ERA-EDTA.
Referencie
1. Himmelfarb, J. a kol. (2020) Súčasná a budúca krajina dialýzy. Nat. Nephrol. 16, 573-585
2. Evenepoel, P. a kol. (2017) Črevo –obličkyos. Pediatr. Nephrol. 32, 2005–2014
3. De Sordi, L. a kol. (2017) Črevná mikroflóra uľahčuje posuny v genetickej diverzite a infekčnosti bakteriálnych vírusov. Cell Host Microbe 22, 801-808
4. Rukavina Mikušic, NL a kol. (2020) Črevná mikroflóra a chronickáobličkychoroba: dôkazy a mechanizmy, ktoré sprostredkúvajú nové
komunikácia v gastrointestinálno-renálnej osi. Pflugers Arch. 472, 303-320
5. Nigam, SK a Bush, KT (2019) Uremický syndróm chronickýchobličkychoroba: zmenené diaľkové snímanie a signalizácia. Nat. Nephrol. 15, 301-316
6. Okada, H. a kol. (2020) Essential points from Evidence-Based Clinical Practice Guidelines for ChronicObličkyChoroba 2018. Klin. Exp. Nephrol. 23, 1–15
7. Becker, GJ a Hewitson, TD (2013) Zvieracie modely chronickýchobličkychoroba: užitočná, ale nie dokonalá. Nephrol. Vytočiť. Transplantácia. 28, 2432-2438
8. Faria, J. a kol. (2019)Obličkyin vitro modely na testovanie toxicity vyvolanej liekmi. Arch. Toxicol. 93, 3397-3418
9. Beebe, DJ a spol. (2002) Fyzika a aplikácie mikrofluidiky v biológii. Annu. Biomed. Ing. 4, 261-286
10. Zhang, B. a kol. (2018) Pokroky v inžinierstve organ-on-a-chip. Nat. Rev. Mater. 3, 257-278
11. Lin, B. a Levchenko, A. (2015) Priestorová manipulácia s mikrofluidikou. Predné. Bioeng. Biotechnol. 3, 39
12. Yum, K. a kol. (2014) Fyziologicky relevantné orgány na čipoch. Biotechnol. J. 9, 16-27
13. Huh, D. a kol. (2010) Rekonštituovanie funkcií pľúc na úrovni orgánov na čipe. Veda 328, 1662–1668
14. Lee, SH a Sung, JH (2018) Technológia organ-on-a-chip na reprodukciu fyziológie viacerých orgánov. Adv. Healthc. Mater. 7, 1700419
15. Sung, JH a kol. (2019) Nedávne pokroky v systémoch body-on-a-chip. Anal. Chem. 91, 330-351
16. Kim, HJ a kol. (2012) Ľudské črevo na čipe obývané mikrobiálnou flórou, ktorá zažíva pohyby a prietok podobné črevnej peristaltike. Lab Chip 12, 2165–2174
17. Kim, HJ a Ingber, DE (2013) Mikroprostredie Gut-on-a-Chip vyvoláva u ľudských črevných buniek diferenciáciu klkov. Celé číslo. Biol. (Camb) 5, 1130–1140
18. Kim, HJ a kol. (2016) Príspevky mikrobiómu a mechanickej deformácie k prerastaniu črevných baktérií a zápalu v ľudskom čreve na čipe. Proc. Natl. Akad. Sci. USA 113, E7–E15
19. Jalili-Firoozinezhad, S. a kol. (2019) Komplexný ľudský črevný mikrobióm kultivovaný v anaeróbnom čreve na čipe. Nat. Biomed. Ing. 3, 520-531
20. Creff, J. a kol. (2019) Výroba 3D lešení reprodukujúcich topografiu črevného epitelu pomocou 3D stereolitografie s vysokým rozlíšením. Biomateriály 221, 119404