Hệ thống vi sinh lý để điều chỉnh lại trục ruột-thận

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

Mãn tínhquả thậnbệnh (CKD) thường xuất hiện cùng với các bệnh đi kèm khác, làm nổi bật sinh lý bệnh phức tạp tiềm ẩn được cho là được điều chỉnh rất nhiều bởi ruột hai chiều–quả thậnxuyên âm. Bằng cách kết hợp những tiến bộ trong kỹ thuật mô, chế tạo, vi sinh và cảm biến sinh học, các hệ thống sinh lý vi mô (MPS) đã nổi lên như một phương pháp tiếp cận đầy hứa hẹn để mô phỏng sự kết nối trong ống nghiệm của nhiều cơ quan, đồng thời giải quyết những hạn chế của mô hình động vật. Bắt chước các trạng thái sinh lý (bệnh) của trục ruột-thận trong ống nghiệm yêu cầu MPS có thể mô phỏng không chỉ nhiễu xuyên âm hai chiều trực tiếp này mà còn cả sự đóng góp của các cơ quan tham gia sinh lý khác như gan và hệ thống miễn dịch. Chúng tôi thảo luận về những phát triển gần đây trong lĩnh vực có thể dẫn đến mô hình in vitro của trục ruột-thận ở bệnh thận mạn.

Tiếp xúc:joanna.jia@wecistanche.com

Cistanche tubulosa ngăn ngừa bệnh thận, bấm vào đây để lấy mẫu

Bệnh thận mãn tính: Rối loạn trao đổi chất với việc truyền tín hiệu giữa các cơ quan và giữa các cơ quan bị gián đoạn

Mãn tínhquả thậnbệnh (CKD) phổ biến nhấtquả thậnbệnh và được đặc trưng bởi sự mất dần chức năng của các cơ quan theo thời gian, làm suy giảm khả năng lọc các chất thải chuyển hóa ra khỏi máu (Hộp 1). Thận có nhiều chức năng chuyên biệt cao, chẳng hạn như lọc máu và bài tiết tích cực để loại bỏ chất thải chuyển hóa, tái hấp thu các chất dinh dưỡng cần thiết, duy trì lượng máu và cân bằng nội môi điện giải, và hoạt động chuyển hóa và nội tiết [1].

Sinh lý bệnh phức tạp và bí ẩn của CKD được cho là được điều chỉnh bởiquả thậnnhiễu xuyên âm với nhiều cơ quan và hệ thống, đặc biệt là thông qua giao tiếp hai chiều giữa các cơ quan với đường tiêu hóa, được gọi là trục ruột-thận [2]. Đường ruột của con người chứa đựng một cộng đồng vi khuẩn phức tạp sống trong mối quan hệ hòa hợp với vật chủ của chúng [3] và cung cấp những đóng góp đáng kể và duy nhất cho cơ thể chuyển hóa của con người (xem Bảng chú giải thuật ngữ). Trong quá trình cộng sinh, sự hấp thu ở ruột đảm bảo sự hấp thu các chất chuyển hóa của vi sinh vật có lợi, trong khi thận duy trì cân bằng nội môi bằng cách bài tiết các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất độc hại. Ngược lại, suy thận dẫn đến sự tích tụ các chất chuyển hóa có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật đường ruột (tức là độc tố urê) dẫn đến sự phát triển của hội chứng tăng urê. Biến chứng này góp phần vào rối loạn sinh học đường ruột ảnh hưởng xấu đến các con đường vận động, nội tiết và thần kinh liên quan đến sự khởi phát và tiến triển của CKD (Hộp 2 và Hình 1) [4]. Nhìn chung, CKD có thể được xem như một bệnh rối loạn chuyển hóa gây ra sự gián đoạn giữa các chất chuyển hóa và các phân tử tín hiệu đi kèm với sự hoạt động quá mức của hệ thống miễn dịch (Hình 2). Do đó, vai trò trung tâm của tín hiệu từ xa ruột-thận thông qua các chất độc urê huyết [5] làm tăng nhu cầu mô tả thêm đặc tính của chất chuyển hóa ở ruột trong bệnh thận mạn.

Theo truyền thống,quả thậnnghiên cứu bệnh phần lớn dựa vào các nghiên cứu lâm sàng [6] và động vật [7] cung cấp khả năng kiểm soát hạn chế đối với các thông số thí nghiệm và có khả năng biến đổi giữa các loài cao. Do thiếu các mô hình thí nghiệm in vitro phù hợp, hiện nay có nhu cầu cấp thiết đối với các hệ thống nuôi cấy tế bào có thể nắm bắt các khía cạnh khác nhau của chức năng các cơ quan in vivo thông qua việc sử dụng các môi trường nuôi cấy chuyên biệt và được kiểm soát cao, bao gồm cả giá thể 3D và thiết bị vi mô [8 ]. Với những tiến bộ trong nuôi cấy đa bào và sản xuất phong thủy sinh học, việc tích hợp các tính năng giám sát thời gian thực và kiểm soát độc lập các thông số thí nghiệm, nắm bắt sự phức tạp của sinh lý người trong ống nghiệm chắc chắn đã nằm trong tầm ngắm. Chúng tôi cung cấp tổng quan toàn diện về những tiến bộ mang tính biểu tượng và gần đây nhất trong lĩnh vực mô hình in vitro 3D và nêu bật mức độ liên quan của chúng đối với sự phát triển của hệ thống trục ruột-thận hai chiều 3D. Chúng tôi cũng thảo luận về những trở ngại lớn mà những trở ngại này gặp phải, cách vượt qua chúng và đưa ra những hiểu biết mới về hướng đi hiện tại của lĩnh vực này trong bối cảnh CKD.

Các mô hình vi sinh lý học để làm sáng tỏ các kết nối phức tạp của các cơ quan

Sự ra đời của hệ thống xã hội học vi mô (MPS), còn được gọi là cơ quan trên chip (OOC), đã tạo ra những khả năng mới để nghiên cứu các quá trình sinh lý liên quan đến các cơ quan riêng lẻ và nhiễu xuyên âm giữa các cơ quan. Một loạt các đa MPS khác nhau đang xuất hiện làm nền tảng cho phương pháp tiếp cận 'vật lý trên chip' để mô phỏng các đơn vị chức năng của các cơ quan, cũng như nhiễu xuyên âm giữa chúng, thay vì nhằm mục đích tái tạo (các) cơ quan hoàn chỉnh. Từ quan điểm kỹ thuật, MPS thường bao gồm một hoặc nhiều kênh micro-uidic với kích thước mặt cắt ngang hàng trăm micromet, trong đó các thể tích nhỏ (nanolit đến microlit) được lưu thông (lại). Bằng cách đảm bảo sự tiếp xúc chặt chẽ giữa các tế bào, các thể tích này cho phép ghi lại sự tương tác động giữa các tế bào trong khi đảm bảo tiêu thụ thuốc thử tối thiểu và độ pha loãng hợp chất [9,10]. Lớp màng được bổ sung có thể liên tục cung cấp cho các tế bào chất dinh dưỡng và oxy tươi trong khi đồng thời loại bỏ các chất thải, và có thể tạo ra các gradient cơ học và hóa học không gian chính xác trong vùng lân cận của chúng [11]. Sự cô lập vật lý của các chất tương tự mô khác nhau được thực hiện thông qua việc ngăn thành các vi kênh được ngăn cách bởi màng xốp mỏng hoặc các lớp chất nền ngoại bào (ECM) [12].

Việc tạo ra nền tảng phổi trên chip, trong đó sức căng cơ học và nhiều loại tế bào được kết hợp để bắt chước sự hô hấp của phổi, đã đi tiên phong trong việc phát triển MPSs lấy cảm hứng từ sinh học [13]. Kể từ đó, tiến bộ trong việc xử lý vi lỏng đã giúp kết nối các mô hình cơ quan khác nhau và kiểm soát nhiễu xuyên âm của chúng trong một hoặc nhiều thiết bị [14,15]. Những phát triển mới nhất trong lĩnh vực này thúc giục chúng ta thảo luận về những tiến bộ này liên quan đến việc lập mô hình ruột–quả thậntrục trong CKD và khám phá các yêu cầu của MPS để hỗ trợ giao tiếp giữa các cơ quan, đồng thời xem xét cách tiếp cận hiệp đồng của việc kết hợp chúng trong các mô hình silico.

Trên đường để tái tạo trục ruột-thận bằng MPSs

Một số hệ thống gut-on-a-chip đã được thiết lập bằng cách tích hợp các hệ thống vi lỏng, kỹ thuật mô và vi cơ điện tử. Trong số các cấu hình tiêu biểu nhất, gut-on-a-chip từ Viện Wyss (Hoa Kỳ) đã mô phỏng thành công môi trường vi sinh đường ruột động của con người thông qua việc ứng dụng các lực cơ học giống như nhu động và chất lỏng có liên quan sinh lý, và các tế bào này được hỗ trợ biệt hóa thành nhung mao. - và các cấu trúc giống như hầm mộ, sự hình thành của một lớp biểu mô dày và chức năng tế bào được nâng cao (Hình 3A) [16–19]. Gần đây, các tính năng tôpô đã nổi lên như là then chốt trong việc chỉ đạo chức năng tế bào, nhưng chỉ có một số nghiên cứu đã cố gắng tái tạo cấu trúc nhung mao mật mã trong các hệ thống vi lỏng mà ngày nay có thể dễ dàng thu được thông qua phép chụp lập thể độ phân giải cao 3D [20], quang khắc [21 ], và tạo khuôn vi mô của hydrogel liên kết chéo [22]. Hiện nay, việc bắt chước các cấu trúc giống như ống ruột đã được giải quyết bằng cách nuôi cấy các tế bào ruột ở phía đỉnh của một hệ thống màng sợi rỗng dễ nung chảy [23,24] hoặc trong lòng của các vi kênh [25]. Việc bổ sung lớp phủ ECM và đồng loại đỉnh đơn hướng dẫn đến kiểu hình ống ruột trưởng thành với cấu trúc giống như nhung mao. Tiếp xúc với độc tố A được tiết ra của Clostridium difficile, một yếu tố độc lực tự nhiên của cư dân trong ruột và chất gây rối loạn hàng rào ruột trong chứng loạn khuẩn, hoặc với chất chuyển hóa có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật đường ruột, p-cresol, dẫn đến tăng cường tính thấm của hàng rào [23,24]. Đồng thời, p-cresol được chuyển đổi thành p-cresyl sulfat và p-cresyl glucuronid, các chất chuyển hóa cuối tích tụ trong huyết tương trong quá trình tiến triển CKD, có thể thông qua chuyển hóa qua trung gian cytochrom P 450- sau đó là liên hợp, do đó làm nổi bật sự đóng góp của ruột để chuyển hóa sinh học các chất chuyển hóa có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật đường ruột thành độc tố urê [23].

Sự phức tạp và đa dạng của biểu mô ruột có thể được tổng hợp lại một cách đáng tin cậy bằng cách sử dụng các chất hữu cơ mô người 3D [26,27]. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng đã được chứng minh là đầy thách thức vì cấu hình khép kín, bên ngoài của chúng cản trở các nghiên cứu vận chuyển và tiếp xúc với các vi khuẩn gây bệnh và đồng loại. Tuy nhiên, Thorne và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng, thông qua sự phân ly bằng enzym của các organoids, các tế bào ruột sơ cấp có thể tự tổ chức và de novo phân tách thành các vùng không phân biệt hoặc biệt hóa, tạo thành các ngăn giống như ngách [28]. Bằng cách tích hợp một nội mô vi mạch riêng biệt được nuôi cấy dưới sự biến dạng đồng nguyên độc lập và theo chu kỳ, các đặc tính hấp thụ của các tế bào này đã được đánh giá [29,30]. Gần đây, việc đưa các miền lông nhung mã vào một biểu mô hình ống với mỗi lòng nóng chảy đã được chứng minh để duy trì các đặc điểm mô hình tế bào khuôn mẫu với tiềm năng tự phục hồi [31].

Nghiên cứu in vitro về sự tương tác giữa vi sinh vật chủ và vi sinh vật đã bị cản trở do các mô hình thông thường không có khả năng duy trì một hệ vi sinh vật phức hợp khả thi trong vài ngày. Mặc dù sự đóng góp của lớp chất nhầy đối với các tương tác giữa vi sinh vật chủ và vi sinh vật thường bị bỏ qua, nhưng gần đây người ta đã chứng minh rằng sự tích hợp của lớp chất nhầy dày - hoạt động như một rào cản sinh lý giữa vi khuẩn và biểu mô ruột - có thể làm chậm quá trình phá hủy hàng rào và tính thấm của tế bào. [32,33]. Theo đó, mô hình vi lỏng phức tạp, HuMiX, cho phép nuôi cấy trực tiếp vi khuẩn kỵ khí và tế bào ruột bằng cách kết hợp một lớp chất nhầy chức năng cũng như kích thích cơ học và hoạt động (Hình 3B) [34].

Phần lớn hệ vi sinh vật đường ruột là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc cần<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="">

Sự phát triển củaquả thậnCác hệ thống -on-a-chip cũng gặp nhiều thách thức do thiếu các tế bào chức năng để tổng hợp lại cấu trúc đa bào trong ống nghiệm và sự phức tạp về chức năng trong nephron. Theo đó, liên quan đến thiết bị ruột trên chip, sự phát triển củaquả thậnhệ thống -on-a-chip ở một mức độ nào đó bị tụt hậu. Cho đến nay, các mô hình sinh lý học cầu thận, ống lượn gần và ống lượn xa đã được phát triển, nhưng việc tích hợp tất cả các thành phần thành một nephron-on-a-chip hoàn chỉnh vẫn chưa đạt được [38]. Để phù hợp về mặt sinh lý, ngoài sự phức tạp của tế bào, một mô phỏng sinh họcquả thận-on-a-chip nên tích hợp (i) các tương tác tế bào chẳng hạn như tương tác giữa các tế bào podocytes hoặc tế bào biểu mô ống lượn gần và nội mô mạch máu (vi), (ii) gradient áp suất thẩm thấu và điện hóa xuyên tế bào dẫn truyền chất lỏng và chất chuyển hóa qua khoảng kẽ, (iii) đồng chất lỏng, và (iv) sự sắp xếp cấu trúc của các ống thận, cũng như (v) các chức năng nội tiết và chuyển hóa tế bào [38].

Ống lượn gần đóng một vai trò quan trọng trong quá trình bài tiết chất thải trong quá trình trao đổi chất và tái hấp thu phân tử sinh học và do đó đã trở thành một trọng tâm chính được quan tâm trong sự phát triển của ống nghiệmquả thậnhệ thống -on-a-chip tổng hợp lại in vivoquả thậnkhăn giấy. Sự phát triển của chức năngquả thậnống sử dụng các tế bào ống lượn gần với các sợi rỗng có chức năng sinh học cho phép Jansen và các đồng nghiệp nghiên cứu sự thanh thải bài tiết của các chất chuyển hóa có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật đường ruột. Hệ thống này cho phép các nhà nghiên cứu chứng minh bằng cách nào, thông qua cảm biến và tín hiệu từ xa, các tế bào ống lượn gần cảm nhận được nồng độ indoxyl sulfat tăng cao và theo đó điều chỉnh biểu hiện của các chất vận chuyển chịu trách nhiệm bài tiết của chúng trong nỗ lực duy trì mức chất chuyển hóa ổn định và cân bằng nội môi [39].

Tương tác giữa nội mô - không gian kẽ - biểu mô chi phối sự trao đổi liên tục các chất hòa tan giữa các ngăn tuần hoàn và nước tiểu. Lin và các đồng nghiệp đã phát triển thành công một ống lượn gần mạch máu 3D có thể tưới máu có thể mô phỏng, thông qua sự trao đổi chất hòa tan giữa ống - mạch, chức năng tái hấp thu tích cực củaquả thận[40]. Mô hình này cho phép số lượng để chứng nhận sự hấp thu albumin của thận và tái hấp thu glucose theo thời gian, cung cấp một công cụ đầy hứa hẹn để điều tra các chức năng sinh lý và dược lý học (bệnh lý) của thận. Khác với trao đổi chất tan,quả thậnkhông gian xen kẽ cũng được coi là trung tâm cho sự phát triển củaquả thậnxơ hóa, một dấu hiệu của CKD. Điều này được cho là gây ra bởi sẹo của khoảng kẽ ống do kết quả của sự hoạt hóa nguyên bào sợi mô kẽ và sự lắng đọng ECM sau đó. Tuy nhiên, chỉ có một số nghiên cứu báo cáo sự tích hợp của nó vào các hệ thống in vitro 3D. Moll và các đồng nghiệp đã báo cáo việc xác nhận mô hình vi môi trường hình ống 3D / mô kẽ đơn giản và có khả năng tái tạo cao để nghiên cứu xơ hóa thận trong hệ thống in vitro có liên quan đến sinh lý học đã được Moll và các đồng nghiệp báo cáo [41]. Nghiên cứu này đã sử dụng cisplatin để bắt chước thành công tổn thương ống thận cấp tính. Sự sao chép trong ống nghiệm của vi môi trường ống thận / mô kẽ đã đạt được bằng cách sử dụng nguyên bào sợi da của người thay vì nguyên bào sợi thận vì nguyên bào sợi trước đây biểu hiện mức độ thấp của dấu hiệu sợi trong điều kiện cơ bản. Tuy nhiên, bất chấp hạn chế này, hệ thống đã chứng minh rằng các tế bào biểu mô đóng vai trò trung tâm trong việc kích hoạt và biệt hóa các nguyên bào sợi cơ. Moll và đồng nghiệp đã cố gắng lặp lại nghiên cứu này bằng cách sử dụng nguyên bào sợi thận sơ cấp nhưng gặp phải sự thay đổi lớn trong kết quả. Với tầm quan trọng của khoảng kẽ trong bệnh thận mạn, các nghiên cứu thêm trong ống nghiệm 3D sẽ là cần thiết để làm sáng tỏ vai trò của nó đối với sự khởi phát và tiến triển của bệnh.

Cácthậncũng kích hoạt 25 (OH) vitamin D bằng cách hydroxyl hóa ở vị trí 1, dẫn đến 1,25 (OH) 2vitamin D, một loại hormone thiết yếu thường bị thiếu ở bệnh nhân CKD và có thể ảnh hưởng đến thành phần hệ vi sinh vật đường ruột và tính toàn vẹn của hàng rào. Gần đây, một đại diện trên chip về sự trao đổi chất ở gan vàquả thậnquá trình hoạt hóa vitamin D được phát triển bằng cách truyền môi trường chứa vitamin D vào một chip vi lỏng, cho thấy rằng các tương tác trao đổi chất phức tạp giữa các cơ quan có thể đạt được rất cao bằng cách sử dụng công nghệ MPS [42].

Trong CKD, việc giảm sản xuất axit béo chuỗi ngắn (SCFA), được bổ sung bởi sự gia tăng đồng thời sản xuất độc tố urê và sự tích tụ toàn thân của chúng [4], được cho là nguyên nhân dẫn đến tình trạng viêm nhiễm mãn tính điển hình của CKD [4,43 ]. Thật vậy, SCFAs, đặc biệt là butyrate, có cả tác dụng bảo vệ thận và bảo vệ ruột [4,44], và hàm lượng butyrate cao có liên quan đến tính toàn vẹn của hàng rào ruột và cải thiện khả năng miễn dịch của ruột do đặc tính chống viêm nhiễm của nó [45]. Tuy nhiên, điều này gần đây đã mâu thuẫn với Trapecar và các đồng nghiệp, những người, trong một phương pháp tiếp cận tâm lý, đã chứng minh rằng SCFAs có thể làm trầm trọng thêm phản ứng viêm trong mô hình ruột-gan. Bằng cách kết nối hai tấm khí nén đại diện riêng biệt cho ruột và gan, tế bào CD4 cộng với tế bào T và tế bào trợ giúp T loại 17 (Th17) gây viêm có thể lưu thông trong và giữa hai ngăn. Các tác động ngược lại của SCFAs có thể tương quan với mức độ viêm nhiễm, với tình trạng viêm nhiễm tăng cao sẽ tạo ra một tác động có hại hơn [46].

Theo hiểu biết của chúng tôi, hiện tại không có MPS nào giải quyết các tác động của các chất chuyển hóa có nguồn gốc từ ruột lên ruột,quả thận, hoặc các cơ quan khác, với việc theo dõi đồng thời sự biến đổi sinh học của chúng, trong bối cảnh CKD. Việc điều chỉnh chip để tổng hợp lại một cách trung thực tính hai chiều của quá trình sản xuất và loại bỏ các chất chuyển hóa sẽ là một thách thức. Việc tích hợp hệ vi sinh vật có nguồn gốc từ mẫu phân của bệnh nhân CKD vào hệ thống vi sinh đường ruột sẽ cho phép chúng tôi nghiên cứu những thay đổi trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và phân tích tác động trực tiếp của chúng lên các cơ quan ở xa, một tính năng không thể đạt được thông qua các thí nghiệm in vivo.

Những Tiến bộ Công nghệ Nâng cao Giá trị Dịch thuật In Vivo của MPS Thiết kế một MPS là một thách thức và đòi hỏi một cách tiếp cận đa ngành. Điều quan trọng cần lưu ý là không một MPS 'nào có thể làm được tất cả, và tùy thuộc vào ứng dụng, các hệ thống khác nhau có thể được yêu cầu. Những ưu điểm và hạn chế của các hệ thống có sẵn để xử lý ruột–quả thậntrục được tóm tắt trong Bảng 1. Một trong những thách thức phổ biến nhất trong lĩnh vực này là thiết kế một hệ thống phức tạp về mặt sinh học và đủ đơn giản về mặt kỹ thuật để thiết lập trong các phòng thí nghiệm nuôi cấy tế bào.

Nhóm Ingber (Viện Wyss, Hoa Kỳ) đã thiết lập các giao thức được tối ưu hóa tốt để nuôi cấy tế bào, kết nối các thành phần vi lỏng với chip và lấy mẫu [16–18,47]. Mặc dù về mặt công nghệ tiên tiến, hệ thống vi lỏng của họ đòi hỏi phải được đào tạo đáng kể đối với những người vận hành không có kỹ thuật, ngay cả đối với các xét nghiệm vi lỏng tự động [47]. Các chip đa cơ quan không bơm, được tiên phong bởi phòng thí nghiệm Shuler (Đại học Cornell, Hoa Kỳ), cũng như của các công ty như Hesperos Inc. (Hình 3E) và InSphero, tăng thông lượng với chi phí kiểm soát hạn chế đối với đồng nghiệp và độ phức tạp của thiết bị [48] (https://hesperosinc.com/). Mặc dù hạn chế trong việc sao chép các dấu hiệu lý sinh, MPS được phát triển bởi phòng thí nghiệm Griffith (Viện Công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ) sử dụng nhiều giao thức thông thường hơn, ví dụ, bằng cách cho phép truy cập trực tiếp vào mô tương tự và bằng cách sử dụng các hạt dao Transwell® tiêu chuẩn đã được sửa đổi (Hình 3C, D) [37,49].

Các công ty sáng tạo đã phát triển tương tự các nền tảng đa cơ quan, chẳng hạn như TissUse®. Máy bơm trên chip của họ kết nối các cơ quan và làm cho hệ thống ít bị kẹt và rò rỉ bong bóng hơn. Tuy nhiên, các thiết bị này cung cấp khả năng định tuyến vi lỏng hạn chế, ví dụ, thiếu phần đỉnh trong mô hình ruột và việc tùy chỉnh mô hình rất khó khăn.

Một thách thức lớn khác là vật liệu chip. PDMS là một trong những vật liệu được sử dụng thường xuyên nhất vì khả năng thấm oxy tuyệt vời, độ trong quang học và đặc tính tạo mẫu của nó. Tuy nhiên, tính thấm oxy là một nhược điểm khi nuôi cấy vi sinh vật kỵ khí bắt buộc với các tế bào ruột [20,37]. Trong thử nghiệm các hợp chất kỵ nước, ví dụ, trong các nghiên cứu độc tính hoặc hiệu quả của thuốc, PDMS không được khuyến khích vì nó hấp thụ các phân tử kỵ nước nhỏ. Do đó, MPSs bao gồm các vật liệu trơ hơn, ngăn cản sự liên kết không đặc hiệu của các hợp chất, là đáng tin cậy nhất. Ví dụ, Edington và các đồng nghiệp đã phát triển một nền tảng vi lỏng dựa trên polystyrene gồm các MPS được kết nối với nhau trong nỗ lực tạo lại một vật lý trên chip có thể tạo ra các cấu hình phân phối phân tử phức tạp cho các ứng dụng khám phá thuốc tiên tiến [50].

Sự phát triển của các nền tảng với các cảm biến tích hợp (oxy, urê, lactate hoặc glucose) và / hoặc độ trong suốt quang học, đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích tế bào không xâm lấn theo thời gian thực (Hộp 3) [51,52]. Một nền tảng với cảm biến mô-đun tích hợp đầy đủ gần đây đã được phát triển. Điều này vận hành các đơn vị MPS một cách liên tục, năng động và tự động, đồng thời bao gồm các cảm biến vật lý để theo dõi vi môi trường ngoại bào, cảm biến sinh hóa để đo các dấu ấn sinh học hòa tan, kính hiển vi thu nhỏ để nắm bắt các thay đổi hình thái và bảng mạch định tuyến vi lỏng để định tuyến chất lỏng kịp thời cách thức [53].

Phân tích tính toán cũng cần thiết để xác định liệu dữ liệu thực nghiệm có nguồn gốc từ MPS có thể được ngoại suy cho hiệu suất in vivo hay không [54]. Do đó, việc tích hợp các thuật toán học máy (trong mô hình silico) nên trở thành một thành phần chiến lược của MPS [55]. Mô hình tính toán có thể được điều chỉnh để giúp giải quyết các hạn chế của các MPS được liên kết thực nghiệm và đưa dữ liệu vào phạm vi nghiên cứu trên động vật và các phương pháp ngoại suy [54]. Các dự đoán thu được từ các nghiên cứu silico có thể cung cấp thông tin phản hồi để cải thiện hơn nữa các mô hình MPS [55]. Ví dụ, trong nghiên cứu silico có thể được sử dụng để mô hình hóa nhu động của tế bào miễn dịch sau tổn thương hàng rào ruột và dự đoán hành vi của tế bào khi tiếp xúc với các thông số hoặc phân tử sinh học cụ thể [56–59].

Nhận xét kết luận và viễn cảnh tương lai

Trong thế kỷ tới, tỷ lệ mắc bệnh CKD được dự đoán sẽ tăng mạnh trên toàn thế giới, đặt ra những thách thức lớn về kinh tế và xã hội. Bất kể quốc gia xuất xứ, chi phí chăm sóc sức khỏe và xã hội hàng năm đã được phát hiện tăng song song với sự tiến triển của CKD [60], làm nổi bật nhu cầu cấp thiết về một nền tảng mô hình bệnh để nghiên cứu sinh lý bệnh của CKD và xác định các mục tiêu điều trị tiềm năng.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết và một số vấn đề phải được giải quyết trước khi có thể phát triển MPS để mô hình hóa CKD một cách chính xác (xem Các câu hỏi nổi bật). Ví dụ, các sự kiện ban đầu thúc đẩy sự khởi phát của CKD vẫn chưa được biết đến, làm cho việc lập mô hình khởi phát CKD trong MPS trở nên khó khăn.Quả thậnCác chấn thương dẫn đến sự phát triển của CKD có bản chất đa dạng và thường liên quan đến thành phần tim mạch, khiến việc biểu diễn của chúng càng trở nên khó khăn hơn. Ngoài ra, thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột rất phức tạp và khó sinh sản; Tuy nhiên, đây là một yêu cầu thiết yếu đối với một mô hình bệnh CKD. Những phát triển thành công mới nhất của MPSs tích hợp vi khuẩn kỵ khí đã được thực hiện nhờ sự tích hợp của cảm biến sinh học để cảm nhận oxy, cũng như bao gồm các dòng chảy được kiểm soát và một lớp chất nhầy giúp giảm vi khuẩn phát triển quá mức và hạn chế tổn thương tế bào ruột (Bảng 1). Tuy nhiên, vẫn có thể đạt được các tổ hợp vi khuẩn kỵ khí rộng rãi trong các hệ thống, mặc dù điều này sẽ cần thiết cho sự đại diện sinh lý của hệ vi sinh vật đường ruột. Các vấn đề về vật liệu hấp thụ và thấm không khí cũng là một trở ngại lớn trong lĩnh vực này, thách thức tính phù hợp của hệ thống đối với sự phát triển của vi khuẩn kỵ khí hoặc để thử nghiệm các hợp chất ưa béo. Sự liên quan của các mối liên hệ giữa các cơ quan đã được nhấn mạnh trong bài tổng quan này; Do đó, việc tích hợp hệ thống tuần hoàn và hệ miễn dịch trong MPSs có tầm quan trọng then chốt, nhưng những hệ thống này chỉ được đưa vào một số mô hình.

Bằng cách nâng cao tính liên ngành, việc tích hợp in sinh học, vật liệu sinh học và cảm biến sinh học để theo dõi thời gian thực của vi môi trường có thể giải quyết các đặc điểm giải phẫu và sinh hóa, cũng như độ phức tạp, của các hệ thống cần thiết để tăng mức độ liên quan sinh lý của chúng. Khi công nghệ MPS phát triển, cùng với xu hướng hiện tại hướng tới các phương pháp tiếp cận đa lĩnh vực được nâng cao, những câu hỏi chưa được trả lời này cuối cùng sẽ được giải quyết.

Sự nhìn nhận

Dự án này đã nhận được tài trợ từ chương trình nghiên cứu và đổi mới EU Horizon 2020 theo thỏa thuận tài trợ Marie Skłodowska Curie CHIẾN LƯỢC-CKD H 2020-2019- ETN (860329), cũng như cuộc gọi WIDESPREAD -05-2018- TWINNING REMODEL (857491). Công việc này đã được hỗ trợ thêm bởi người Hà LanQuả thậnNền tảng (DKF, 17OI13). RM là thành viên của Nhóm công việc được chứng thực bởi ESAO / ERA-EDTA EUTox.

Người giới thiệu

1. Himmelfarb, J. và cộng sự. (2020) Bối cảnh hiện tại và tương lai của lọc máu. Nat. Linh mục Nephrol. 16, 573–585

2. Evenepoel, P. và cộng sự. (2017) Ruột–quả thậntrục. Nhi khoa. Nephrol. 32, 2005–2014

3. De Sordi, L. và cộng sự. (2017) Hệ vi sinh vật đường ruột tạo điều kiện thuận lợi cho sự đa dạng di truyền và khả năng lây nhiễm của vi rút vi khuẩn. Vi sinh vật chủ tế bào 22, 801–808

4. Rukavina Mikusic, NL và cộng sự. (2020) Hệ vi sinh vật đường ruột và mãn tínhquả thậnbệnh: bằng chứng và cơ chế làm trung gian cho một

thông tin liên lạc trong trục tiêu hóa-thận. Pflugers Arch. 472, 303–320

5. Nigam, SK và Bush, KT (2019) Uraemic hội chứng mãn tínhquả thậnbệnh: bị thay đổi tín hiệu và viễn thám. Nat. Linh mục Nephrol. 15, 301–316

6. Okada, H. và cộng sự. (2020) Những điểm cơ bản từ Hướng dẫn Thực hành Lâm sàng Dựa trên Bằng chứng cho Bệnh mãn tínhQuả thậnDịch bệnh 2018. Clin. Hết hạn. Nephrol. 23, 1–15

7. Becker, GJ và Hewitson, TD (2013) Mô hình động vật mãn tínhquả thậnbệnh: hữu ích nhưng không hoàn hảo. Nephrol. Quay số. Cấy. 28, 2432–2438

8. Faria, J. và cộng sự. (2019)Quả thận-dựa trên mô hình in vitro để kiểm tra độc tính do thuốc gây ra. Vòm. Toxicol. 93, 3397–3418

9. Beebe, DJ và cộng sự. (2002) Vật lý và các ứng dụng của vi lỏng trong sinh học. Annu. Rev. Biomed. Anh 4, 261–286

10. Zhang, B. và cộng sự. (2018) Những tiến bộ trong kỹ thuật organ-on-a-chip. Nat. Linh mục Mater. 3, 257–278

11. Lin, B. và Levchenko, A. (2015) Thao tác không gian với microfluidics. Đổi diện. Bioeng. Công nghệ sinh học. 3, 39

12. Yum, K. và cộng sự. (2014) Các cơ quan liên quan đến sinh lý trên chip. Công nghệ sinh học. J. 9, 16–27

13. Hả, D. và cộng sự. (2010) Phục hồi chức năng phổi cấp cơ quan trên một con chip. Khoa học 328, 1662–1668

14. Lee, SH và Sung, JH (2018) Công nghệ nội tạng để tái tạo sinh lý đa cơ quan. Tiến lên Sức khỏec. Mater. 7, 1700419

15. Sung, JH và cộng sự. (2019) Những tiến bộ gần đây trong hệ thống body-on-a-chip. Hậu môn. Chèm. 91, 330–351

16. Kim, HJ và cộng sự. (2012) Ruột của con người là nơi sinh sống của hệ vi sinh vật có khả năng trải qua các chuyển động và dòng chảy giống như nhu động ruột. Chip phòng thí nghiệm 12, 2165–2174

17. Kim, HJ và Ingber, DE (2013) Vi môi trường Gut-on-a-Chip khiến các tế bào ruột của con người trải qua quá trình biệt hóa nhung mao. Số nguyên. Biol. (Camb) 5, 1130–1140

18. Kim, HJ và cộng sự. (2016) Những đóng góp của hệ vi sinh vật và biến dạng cơ học đối với sự phát triển quá mức của vi khuẩn đường ruột và tình trạng viêm nhiễm ở ruột người. Proc. Natl. Acad. Khoa học. Hoa Kỳ 113, E7 – E15

19. Jalili-Firoozinezhad, S. và cộng sự. (2019) Một hệ vi sinh vật đường ruột phức tạp của con người được nuôi cấy trong một con chip kỵ khí. Nat. Sinh học. Anh 3, 520–531

20. Creff, J. và cộng sự. (2019) Chế tạo giàn giáo 3D tái tạo địa hình biểu mô ruột bằng kỹ thuật chụp lập thể 3D có độ phân giải cao. Vật liệu sinh học 221, 119404