ระบบจุลสรีรวิทยาเพื่อสรุปแกน Gut–Kidney Axis

ลอร่า จิออร์ดาโน,^1,3ซิลเวีย มาเรีย มิไฮลา,^1,3ฮอสเซน เอสลามี อามีราบาดี^1,2และโรซาลินด์ มาเซรีอู

เรื้อรังไตโรค (CKD) มักปรากฏขึ้นควบคู่ไปกับโรคร่วมอื่น ๆ โดยเน้นที่พยาธิสรีรวิทยาที่ซับซ้อนซึ่งเชื่อกันว่าได้รับการปรับอย่างมากมายโดยลำไส้สองทิศทาง–ไตครอสทอล์ค ด้วยการผสมผสานความก้าวหน้าในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การประดิษฐ์ ไมโครอิดิกส์ และไบโอเซนเซอร์ ระบบไมโครสรีรวิทยา (MPS) ได้กลายเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มดีในการเลียนแบบการเชื่อมต่อระหว่างอวัยวะต่าง ๆ ในหลอดทดลอง ในขณะที่จัดการกับข้อจำกัดของแบบจำลองสัตว์ การเลียนแบบสถานะทางสรีรวิทยาของแกนไส้-ไต ในหลอดทดลอง จำเป็นต้องมี MPS ที่สามารถจำลองการพูดคุยแบบสองทิศทางแบบสองทิศทางนี้ไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการมีส่วนร่วมของผู้เข้าร่วมทางสรีรวิทยาอื่นๆ เช่น ตับและระบบภูมิคุ้มกัน เราหารือเกี่ยวกับการพัฒนาล่าสุดในด้านที่อาจนำไปสู่การสร้างแบบจำลองในหลอดทดลองของแกนลำไส้และไตใน CKD

ติดต่อ:joanna.jia@wecistanche.com

Cistanche tubulosa ป้องกันโรคไต คลิกที่นี่เพื่อรับตัวอย่าง

โรคไตเรื้อรัง: ความผิดปกติของระบบเมตาบอลิซึมที่มีการรบกวนระหว่างอวัยวะและการส่งสัญญาณระหว่างอวัยวะ

เรื้อรังไตโรค (CKD) เป็นที่แพร่หลายมากที่สุดไตโรคและเป็นลักษณะการสูญเสียการทำงานของอวัยวะอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อเวลาผ่านไปซึ่งทำให้ความสามารถในการกรองของเสียจากการเผาผลาญออกจากเลือดลดลง (กล่องที่ 1) ไตมีหน้าที่เฉพาะทางหลายอย่าง เช่น การกรองเลือดและการหลั่งเชิงรุกเพื่อกำจัดของเสียจากการเผาผลาญอาหาร การดูดซึมสารอาหารที่จำเป็นกลับคืน การรักษาปริมาณเลือดและสภาวะสมดุลของอิเล็กโทรไลต์ กิจกรรมการเผาผลาญและต่อมไร้ท่อ [1]

พยาธิสรีรวิทยาที่ซับซ้อนและลึกลับของ CKD ถูกคิดว่าจะถูกมอดูเลตโดยไตครอสทอล์คกับอวัยวะและระบบต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านการสื่อสารระหว่างอวัยวะแบบสองทิศทางกับทางเดินอาหาร เรียกว่าแกนลำไส้-ไต[2] ลำไส้ของมนุษย์รองรับชุมชนที่ซับซ้อนของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในความสัมพันธ์ที่ดีกับโฮสต์ของพวกมัน [3] และมีส่วนสำคัญต่อเมแทบอลิซึมของมนุษย์ (ดูอภิธานศัพท์) ในการพึ่งพาอาศัยกัน การดูดซึมของลำไส้ทำให้แน่ใจถึงการดูดซึมของจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ ในขณะที่ไตจะรักษาสภาวะสมดุลโดยการขับผลิตภัณฑ์สุดท้ายจากการเผาผลาญที่อาจเป็นพิษ ในทางกลับกัน ภาวะไตวายส่งผลให้เกิดการสะสมของสารเมตาโบไลต์ที่ได้จากจุลินทรีย์ในลำไส้ (เช่น สารพิษในปัสสาวะ) ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาของกลุ่มอาการยูเรมิก ภาวะแทรกซ้อนนี้มีส่วนทำให้เกิด dysbiosis ในลำไส้ซึ่งส่งผลเสียต่อทางเดินของต่อมไร้ท่อและทางระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับการโจมตีและความก้าวหน้าของ CKD (กล่องที่ 2 และรูปที่ 1) [4] โดยรวมแล้ว CKD สามารถมองได้ว่าเป็นความผิดปกติของการเผาผลาญซึ่งสะท้อนถึงการหยุดชะงักระหว่างอวัยวะและระหว่างอวัยวะของสารเมตาโบไลต์และโมเลกุลการส่งสัญญาณพร้อมกับการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันมากเกินไป (รูปที่ 2) ดังนั้น บทบาทสำคัญของการส่งสัญญาณระยะไกลระหว่างลำไส้และไตผ่านทางสารพิษในปัสสาวะ [5] ทำให้เกิดความจำเป็นในการอธิบายลักษณะเฉพาะของเมตาโบโลมในลำไส้ใน CKD

ตามเนื้อผ้าไตการวิจัยโรคส่วนใหญ่อาศัยการศึกษาทางคลินิก [6] และการศึกษาในสัตว์ทดลอง [7] ที่ให้การควบคุมพารามิเตอร์การทดลองอย่างจำกัดและมีความแปรปรวนระหว่างสายพันธุ์สูง เนื่องจากขาดแบบจำลองการทดลองในหลอดทดลองที่เหมาะสม ปัจจุบันจึงมีความจำเป็นสำหรับระบบการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่สามารถจับภาพลักษณะต่างๆ ของการทำงานของอวัยวะภายในร่างกาย ผ่านการใช้สภาพแวดล้อมจุลภาคการเพาะเลี้ยงที่มีการควบคุมสูงและเฉพาะทาง ซึ่งรวมถึงโครงนั่งร้าน 3 มิติและไมโครอิดิกส์ [8 ]. ด้วยความก้าวหน้าในการเพาะเลี้ยงหลายเซลล์และการผลิตทางชีวภาพ การผสานรวมคุณสมบัติการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ และการควบคุมพารามิเตอร์การทดลองที่เป็นอิสระ การจับภาพความซับซ้อนของสรีรวิทยาของมนุษย์ในหลอดทดลองเป็นสิ่งที่มองเห็นได้อย่างแน่นอน เราให้ภาพรวมที่ครอบคลุมของความก้าวหน้าที่เป็นสัญลักษณ์และล่าสุดในด้านแบบจำลอง 3 มิติในหลอดทดลอง และเน้นย้ำความเกี่ยวข้องสำหรับการพัฒนาระบบแกนไส้-ไตแบบ 3 มิติแบบสองทิศทาง นอกจากนี้เรายังหารือเกี่ยวกับอุปสรรคสำคัญที่สิ่งเหล่านี้นำมาซึ่งวิธีการเอาชนะพวกเขาและนำเสนอข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับทิศทางปัจจุบันของสาขานี้ในบริบทของ CKD

แบบจำลองทางจุลสรีรวิทยาเพื่อคลี่คลายการเชื่อมต่ออวัยวะที่ซับซ้อน

การถือกำเนิดของระบบสังคมวิทยา micrography (MPSs) หรือที่เรียกว่า organ-on-chips (OOCs) ได้สร้างความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในการศึกษากระบวนการทางสรีรวิทยาที่เกี่ยวข้องกับอวัยวะแต่ละส่วนและการพูดคุยข้ามอวัยวะ มีหลาย MPS ที่แตกต่างกันซึ่งสนับสนุนแนวทาง 'physiome-on-a-chip' สำหรับการจำลองหน่วยการทำงานของอวัยวะ เช่นเดียวกับการครอสทอล์คระหว่างพวกมัน แทนที่จะมุ่งหวังที่จะทำซ้ำอวัยวะทั้งหมด จากจุดยืนทางเทคนิค MPS มักประกอบด้วยช่องสัญญาณ microfluidic แบบช่องเดียวหรือหลายช่องที่มีขนาดหน้าตัดเป็นร้อยไมโครมิเตอร์ โดยจะหมุนเวียนปริมาตรเล็กๆ (นาโนลิตรถึงไมโครลิตร) โดยการประกันการสัมผัสอย่างใกล้ชิดระหว่างเซลล์ ปริมาตรเหล่านี้ช่วยให้สามารถจับปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับเซลล์แบบไดนามิกได้ ในขณะเดียวกันก็รับประกันการใช้รีเอเจนต์น้อยที่สุดและการเจือจางของสารประกอบ [9,10] ลามินาร์ flow ที่เพิ่มเข้ามาสามารถจัดหาสารอาหารและออกซิเจนที่สดใหม่ให้กับเซลล์ได้อย่างต่อเนื่อง พร้อมๆ กันกำจัดของเสีย และสามารถสร้างการไล่ระดับทางเคมีและการไล่ระดับเชิงกลที่แม่นยำในบริเวณใกล้เคียง [11] การแยกทางกายภาพของสิ่งที่คล้ายคลึงกันของเนื้อเยื่อต่างๆ ทำได้โดยการแบ่งส่วนออกเป็นไมโครแชนเนลที่แยกจากกันโดยเยื่อบางๆ ที่มีรูพรุนหรือชั้นของเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) [12]

การสร้างแพลตฟอร์มปอดบนชิปซึ่งมีการรวมความเครียดทางกลและเซลล์หลายประเภทเพื่อเลียนแบบการหายใจของปอดซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการพัฒนา MPS ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากทางชีวภาพ [13] ตั้งแต่นั้นมา ความก้าวหน้าในการจัดการไมโครฟลูอิดิกทำให้สามารถเชื่อมต่อโมเดลอวัยวะต่างๆ และควบคุมครอสทอล์คภายในอุปกรณ์หนึ่งหรือหลายเครื่องได้ [14,15] การพัฒนาล่าสุดในด้านนี้กระตุ้นให้เราหารือเกี่ยวกับความก้าวหน้าเหล่านี้เกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองลำไส้–ไตแกนใน CKD และสำรวจข้อกำหนดของ MPS เพื่อสนับสนุนการสื่อสารระหว่างอวัยวะ โดยคำนึงถึงวิธีการเสริมฤทธิ์กันในการรวมสิ่งเหล่านี้ไว้ในแบบจำลองซิลิโก

เส้นทางสู่การจำลองแกน Gut–Kidney Axis โดยใช้ MPS

ระบบ Gut-on-a-chip หลายระบบได้รับการจัดตั้งขึ้นโดยการรวมไมโครฟลูอิดิกส์ วิศวกรรมเนื้อเยื่อ และระบบไมโครอิเล็กทรอนิกส์เข้าด้วยกัน ในบรรดาโครงร่างที่เป็นตัวแทนส่วนใหญ่ ลำไส้บนชิปจาก Wyss Institute (USA) ประสบความสำเร็จในการจำลองสภาพแวดล้อมจุลภาคในลำไส้ของมนุษย์แบบไดนามิกผ่านการประยุกต์ใช้เพื่อนของเหลวที่เกี่ยวข้องทางสรีรวิทยาและแรงทางกลที่คล้ายการบีบตัว และสิ่งเหล่านี้สนับสนุนการสร้างความแตกต่างของเซลล์ในวิลลัส - และโครงสร้างแบบฝังศพใต้ถุนโบสถ์ การก่อตัวของชั้นเดียวของเยื่อบุผิวหนา และการทำงานของเซลล์ที่เพิ่มขึ้น (รูปที่ 3A) [16–19] เมื่อเร็ว ๆ นี้ ลักษณะทางทอพอโลยีได้กลายเป็นส่วนสำคัญในการควบคุมการทำงานของเซลล์ แต่มีการศึกษาเพียงไม่กี่ชิ้นที่พยายามจำลองสถาปัตยกรรม crypt-villus ในระบบไมโครฟลูอิดิก ซึ่งขณะนี้สามารถหาได้โดยง่ายผ่าน 3D stereolithography ความละเอียดสูง [20], photolithography [21 ] และการขึ้นรูปแบบจุลภาคของไฮโดรเจลเชื่อมขวาง [22] ในปัจจุบัน การจำลองโครงสร้างคล้ายท่อในลำไส้ได้รับการแก้ไขแล้วโดยการเพาะเลี้ยงเซลล์ในลำไส้ที่ปลายสุดของระบบเยื่อใยกลวงต่อแบบหลอมละลายได้ [23,24] หรือในรูของไมโครแชนเนล [25] การเพิ่มสารเคลือบ ECM และส่วนปลายแบบทิศทางเดียวทำให้เกิดฟีโนไทป์ของท่อลำไส้ที่โตเต็มที่ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายวิลลัส การได้รับสารพิษจาก Clostridium difficile ที่หลั่งออกมาซึ่งเป็นปัจจัยก่อโรคในลำไส้โดยธรรมชาติและตัวทำลายอุปสรรคในลำไส้ในโรค dysbiosis หรือต่อสาร p-cresol ที่ได้จากจุลินทรีย์ในลำไส้ทำให้เกิดการซึมผ่านของสิ่งกีดขวางที่เพิ่มขึ้น [23,24] พร้อมกัน p-cresol ถูกแปลงเป็น p-cresyl sulfate และ p-cresyl glucuronide ซึ่งเป็นเมตาบอลิซึมสุดท้ายที่สะสมในพลาสมาระหว่างการลุกลามของ CKD มีแนวโน้มว่าจะผ่านเมแทบอลิซึมที่อาศัย cytochrome P450- ตามด้วย conjugation จึงเน้นย้ำถึงการมีส่วนร่วมของ ลำไส้ไปสู่การเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพของสารที่ได้จากจุลินทรีย์ในลำไส้ให้เป็นสารพิษในปัสสาวะ [23]

ความซับซ้อนและความหลากหลายของเยื่อบุผิวในลำไส้สามารถสรุปได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้ออร์กานอยด์ของเนื้อเยื่อมนุษย์ 3 มิติ [26,27] อย่างไรก็ตาม การใช้งานได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความท้าทาย เนื่องจากการกำหนดค่าแบบปิดภายนอกภายในขัดขวางการศึกษาการขนส่งและการสัมผัสกับแบคทีเรียทั่วไปและที่ทำให้เกิดโรค อย่างไรก็ตาม ธอร์นและเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าผ่านการแยกตัวของเอ็นไซม์ออกจากอวัยวะออร์แกนอยด์ เซลล์ในลำไส้ปฐมภูมิสามารถจัดระเบียบตัวเองและแยกเซลล์ออกเป็นส่วนๆ โดยการบูรณาการ microvascular endothelium ที่เพาะเลี้ยงไว้ภายใต้การผิดรูปแบบเพื่อนและแบบวัฏจักร การประเมินคุณสมบัติการดูดซึมของเซลล์เหล่านี้ได้รับการประเมิน [29,30] เมื่อเร็ว ๆ นี้ การรวมโดเมน crypt-villus ในเยื่อบุผิวรูปหลอดที่มีรูพรุนต่อลูเมนถูกแสดงให้เห็นเพื่อรักษาลักษณะการสร้างรูปแบบเซลล์ stereotypical ที่มีศักยภาพในการเกิดใหม่ได้เอง [31]

การศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์และไมโครไบโอตาในหลอดทดลองถูกขัดขวางโดยการที่แบบจำลองทั่วไปไม่สามารถรักษาจุลชีพที่ซับซ้อนที่ทำงานได้เป็นเวลาหลายวัน แม้ว่าการมีส่วนร่วมของชั้นเมือกต่อปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์และไมโครไบโอมมักถูกมองข้ามไป เมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าการรวมตัวของชั้นเมือกหนา - ทำหน้าที่เป็นอุปสรรคทางสรีรวิทยาระหว่างแบคทีเรียและเยื่อบุผิวในลำไส้ - อาจทำให้ความเสียหายของสิ่งกีดขวางและการซึมผ่านของเซลล์ลดลง [32,33]. ดังนั้น แบบจำลองไมโครฟลูอิดิกที่ซับซ้อน HuMiX เปิดใช้งานการเพาะเลี้ยงโดยตรงของแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนและเซลล์ในลำไส้โดยการผสมผสานชั้นของเมือกที่ใช้งานได้ รวมทั้งการกระตุ้นด้วยคลื่นเสียงและกลไกทางกล (รูปที่ 3B) [34]

จุลินทรีย์ในลำไส้ส่วนใหญ่มีพันธะแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่ต้องการ<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="">

การพัฒนาของไตระบบ -on-a-chip ยังมีความท้าทายเนื่องจากการไม่มีเซลล์ที่ใช้งานได้เพื่อสรุปโครงสร้างหลายเซลล์ในหลอดทดลองและความซับซ้อนในการทำงานภายใน nephron ดังนั้น เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ลำไส้บนชิป การพัฒนาของไตระบบ -on-a-chip นั้นล้าหลังอยู่บ้าง จนถึงปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาแบบจำลองของ glomerular, proximal tubule และ distal tubule physiology แต่การรวมส่วนประกอบทั้งหมดเข้ากับ nephron-on-a-chip ที่สมบูรณ์ยังคงดำเนินต่อไป [38] เพื่อให้มีความเกี่ยวข้องทางสรีรวิทยา นอกเหนือจากความซับซ้อนของเซลล์แล้ว ไบโอมิเมติกไต-on-a-chip ควรรวม (i) ปฏิกิริยาระหว่างเซลล์กับเซลล์ เช่น ระหว่าง podocytes หรือ proximal tubule epithelial cells และ endothelium ของหลอดเลือด (ไมโคร) (ii) การไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าเคมีและออสโมติกข้ามเซลล์ที่ขับเคลื่อนของเหลวและเมตาบอลิซึมทั่ว พื้นที่คั่นระหว่างหน้า (iii) ของเหลวเพื่อน และ (iv) การจัดเรียงโครงสร้างของท่อไต เช่นเดียวกับ (v) การทำงานของเซลล์เมตาบอลิซึมและต่อมไร้ท่อ [38]

ท่อใกล้เคียงมีบทบาทสำคัญในการขับถ่ายของเสียจากการเผาผลาญและการดูดซึมกลับของโมเลกุลชีวภาพ ดังนั้นจึงเป็นจุดสนใจหลักที่น่าสนใจในการพัฒนาในหลอดทดลองไต-on-a-chip ระบบที่สรุปใน vivoไตเนื้อเยื่อ. การพัฒนาฟังก์ชั่นไตtubules ที่ใช้เซลล์ tubule ใกล้เคียงที่มีเส้นใยกลวงที่ทำหน้าที่ทางชีวภาพช่วยให้ Jansen และเพื่อนร่วมงานสามารถศึกษาการหลั่งสารคัดหลั่งของสารที่ได้จากจุลินทรีย์ในลำไส้ ระบบนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถสาธิตวิธีผ่านการรับรู้และการส่งสัญญาณจากระยะไกล เซลล์ท่อใกล้เคียงสามารถรับรู้ระดับของอินด็อกซิลซัลเฟตในระดับสูง และปรับการแสดงออกของผู้ขนส่งที่รับผิดชอบในการขับถ่ายของพวกเขาอย่างไรในความพยายามที่จะรักษาระดับเมตาบอไลต์ที่เสถียรและสภาวะสมดุล [39]

Endothelium–ช่องว่างคั่นระหว่างกัน–เยื่อบุผิวมีปฏิสัมพันธ์ควบคุมการแลกเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องของตัวละลายระหว่างช่องไหลเวียนโลหิตและช่องปัสสาวะ Lin และเพื่อนร่วมงานประสบความสำเร็จในการพัฒนา 3D vascularized proximal tubule ที่สามารถหลอมละลายได้ซึ่งสามารถจำลองผ่านการแลกเปลี่ยน tubule–vasculature ของตัวถูกละลาย ฟังก์ชันการดูดกลับแบบแอคทีฟของไต[40]. แบบจำลองนี้ให้ปริมาณสำหรับการรับรองการดูดซึมอัลบูมินในไตและการดูดซึมกลูโคสกลับเข้าไปใหม่เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งเป็นเครื่องมือที่มีแนวโน้มดีสำหรับการตรวจสอบการทำงานทางสรีรวิทยาของไต (พยาธิวิทยา) และเภสัชวิทยา นอกเหนือจากการแลกเปลี่ยนตัวถูกละลายไตพื้นที่โฆษณาคั่นระหว่างหน้าก็ถือเป็นหัวใจสำคัญของการพัฒนาไตfifibrosis เครื่องหมายรับรองคุณภาพของ CKD คิดว่าน่าจะเกิดจากรอยแผลเป็นของช่องว่างระหว่างเนื้อเยื่อแบบทูบูลซึ่งเป็นผลมาจากการกระตุ้นมัยโอไฟโบรบลาสต์คั่นระหว่างหน้าและการสะสม ECM ที่ตามมา อย่างไรก็ตาม มีการศึกษาเพียงไม่กี่ชิ้นที่รายงานการผสานเข้ากับระบบ 3D ในหลอดทดลอง Moll และเพื่อนร่วมงานรายงานการตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง 3 มิติของ tubule/interstitium microenvironment ที่เรียบง่ายและทำซ้ำได้สูงสำหรับการศึกษาการเกิดพังผืดในไตในระบบหลอดทดลองที่มีความเกี่ยวข้องทางสรีรวิทยา การศึกษานี้ใช้ซิสพลาตินเพื่อเลียนแบบอาการบาดเจ็บที่ท่อเฉียบพลันได้สำเร็จ การจำลองแบบนอกร่างกายของท่อไต/สภาวะแวดล้อมจุลภาคคั่นระหว่างหน้าทำได้โดยการใช้ไฟโบรบลาสต์ที่ผิวหนังของมนุษย์แทนไฟโบรบลาสต์ของไต เนื่องจากก่อนหน้านี้แสดงระดับต่ำของตัวบ่งชี้ไฟโบรติกภายใต้สภาวะที่เป็นเบส อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อจำกัดนี้ ระบบได้แสดงให้เห็นว่าเซลล์เยื่อบุผิวมีบทบาทสำคัญในการกระตุ้นการกระตุ้นและการสร้างความแตกต่างของไมโอฟิไฟโบรบลาสต์ Moll และเพื่อนร่วมงานพยายามที่จะทำซ้ำการศึกษานี้โดยใช้ไฟโบรบลาสต์ของไตปฐมภูมิ แต่พบความแปรปรวนอย่างมากในผลลัพธ์ เมื่อพิจารณาถึงความสำคัญของพื้นที่คั่นระหว่างหน้าใน CKD จำเป็นต้องมีการศึกษา 3 มิติ ในหลอดทดลอง เพิ่มเติมเพื่อชี้แจงบทบาทในการเริ่มมีอาการและความก้าวหน้าของโรค

ดิไตยังกระตุ้นวิตามินดี 25(OH) โดยไฮดรอกซิเลชันที่ตำแหน่ง 1 ส่งผลให้มีวิตามินดี 1,25 (OH)2 ซึ่งเป็นฮอร์โมนสำคัญที่มักขาดในผู้ป่วยโรคไตเรื้อรังและอาจส่งผลต่อองค์ประกอบของจุลินทรีย์ในลำไส้และความสมบูรณ์ของอุปสรรค เมื่อเร็ว ๆ นี้การแสดงบนชิปของการเผาผลาญของตับและไตการกระตุ้นวิตามินดีได้รับการพัฒนาโดยการผสมสารที่ประกอบด้วยวิตามินดีลงในชิปไมโครฟลูอิดิก ซึ่งบ่งชี้ว่าปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมระหว่างอวัยวะที่ซับซ้อนสามารถทำได้สูงโดยใช้เทคโนโลยี MPS [42]

ในโรคไตเรื้อรัง การผลิตกรดไขมันสายสั้น (SCFA) ที่ลดลง เสริมด้วยการผลิตสารพิษยูริกที่เพิ่มขึ้นพร้อมๆ กันและการสะสมอย่างเป็นระบบ [4] สันนิษฐานว่าเป็นตัวขับเคลื่อนภาวะการอักเสบเรื้อรังที่เป็นเรื่องปกติของ CKD [4,43 ]. แท้จริงแล้ว SCFAs โดยเฉพาะอย่างยิ่ง butyrate มีผลในการป้องกันไตและลำไส้ [4,44] และระดับของ butyrate ในระดับสูงมีความเกี่ยวข้องกับความสมบูรณ์ของอุปสรรคในลำไส้และการปรับปรุงภูมิคุ้มกันของลำไส้อันเป็นผลมาจากคุณสมบัติต้านการอักเสบ [45] อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้ Trapecar และเพื่อนร่วมงานขัดแย้งกันซึ่งในแนวทาง psychomimetic แสดงให้เห็นว่า SCFAs สามารถทำให้การตอบสนองการอักเสบรุนแรงขึ้นในแบบจำลองลำไส้และตับ โดยการเชื่อมต่อแผ่นนิวแมติกสองแผ่นแยกกันซึ่งแทนลำไส้และตับ เซลล์ CD4 บวก T และเซลล์ตัวช่วย 17 T ที่มีการอักเสบ (Th17) สามารถหมุนเวียนภายในและระหว่างสองส่วน ผลตรงกันข้ามของ SCFAs อาจสัมพันธ์กับระดับของการอักเสบ โดยสภาวะการอักเสบที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดผลที่เป็นอันตรายมากขึ้น [46]

ตามความรู้ของเรา ขณะนี้ไม่มี MPS ที่กล่าวถึงผลกระทบของเมแทบอไลต์ที่มาจากลำไส้ในลำไส้ไตหรืออวัยวะอื่นๆ ที่มีการติดตามการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพร่วมกันในบริบทของ CKD การปรับชิปให้สรุปผลการผลิตแบบสองทิศทางและการไหลของเมแทบอไลต์อย่างเที่ยงตรงถือเป็นความท้าทาย การรวมจุลินทรีย์ที่ได้จากตัวอย่างอุจจาระของผู้ป่วย CKD เข้ากับระบบไมโครฟลูอิดิกในลำไส้จะช่วยให้เราศึกษาการเปลี่ยนแปลงในการเผาผลาญของจุลินทรีย์และวิเคราะห์ผลโดยตรง (ใน) ของพวกมันต่ออวัยวะที่อยู่ห่างไกล ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ไม่สามารถทำได้ผ่านการทดลองในร่างกาย

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เพิ่มมูลค่าการแปลใน Vivo ของ MPS การออกแบบ MPS เป็นสิ่งที่ท้าทายและต้องใช้แนวทางสหสาขาวิชาชีพ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าไม่มี MPS เดียวที่สามารถทำได้ทั้งหมด และอาจต้องใช้ระบบที่แตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน ข้อดีและข้อจำกัดของระบบที่มีอยู่สำหรับการแก้ปัญหาลำไส้–ไตสรุปแกนในตารางที่ 1 หนึ่งในความท้าทายที่พบบ่อยที่สุดในภาคสนามคือการออกแบบระบบที่มีความซับซ้อนทางชีววิทยาและทางเทคนิคง่ายเพียงพอที่จะจัดตั้งขึ้นในห้องปฏิบัติการเพาะเลี้ยงเซลล์

กลุ่ม Ingber (สถาบัน Wyss ประเทศสหรัฐอเมริกา) ได้กำหนดโปรโตคอลที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์ การเชื่อมต่อส่วนประกอบไมโครฟลูอิดิกกับชิป และการสุ่มตัวอย่าง [16–18,47] แม้ว่าเทคโนโลยีจะก้าวหน้าไปมาก แต่ระบบไมโครฟลูอิดิกของพวกมันต้องการการฝึกอบรมที่สำคัญสำหรับผู้ปฏิบัติงานที่ไม่ใช่ด้านเทคนิค แม้กระทั่งสำหรับการทดสอบไมโครฟลูอิดิกอัตโนมัติ [47] ชิปมัลติออร์แกนแบบไร้ปั๊ม ซึ่งบุกเบิกโดยห้องปฏิบัติการของ Shuler (มหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ สหรัฐอเมริกา) และโดยบริษัทต่างๆ เช่น Hesperos Inc. (รูปที่ 3E) และ InSphero ช่วยเพิ่มปริมาณงานด้วยค่าใช้จ่ายในการควบคุมที่จำกัดของเพื่อนและความซับซ้อนของอุปกรณ์ [48] (https://hesperosinc.com/) แม้ว่าจะมีข้อจำกัดในการทำซ้ำตัวชี้นำทางชีวฟิสิกส์ MPS ที่พัฒนาโดยห้องปฏิบัติการ Griffith (สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา) ใช้ประโยชน์จากโปรโตคอลแบบเดิมมากขึ้น เช่น โดยการเปิดใช้งานการเข้าถึงโดยตรงไปยังเนื้อเยื่ออะนาล็อกและโดยการใช้ส่วนแทรก Transwell® มาตรฐานที่ได้รับการดัดแปลง (รูปที่ 3C, D) [37,49].

บริษัทที่มีนวัตกรรมได้พัฒนาแพลตฟอร์มหลายอวัยวะเช่นเดียวกัน เช่น TissUse® ปั๊มบนชิปจะเชื่อมต่ออวัยวะต่างๆ และทำให้ระบบมีแนวโน้มที่จะดักจับฟองสบู่และการรั่วไหลน้อยลง อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้มีการกำหนดเส้นทางไมโครฟลูอิดิกอย่างจำกัด ตัวอย่างเช่น ปลายยอดในแบบจำลองลำไส้ขาด และการปรับแต่งแบบจำลองเนื้อเยื่อทำได้ยาก

ความท้าทายที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือวัสดุชิป PDMS เป็นหนึ่งในวัสดุที่ใช้บ่อยที่สุดเนื่องจากมีการซึมผ่านของออกซิเจนที่ดีเยี่ยม ความชัดเจนของแสง และคุณสมบัติในการสร้างต้นแบบ อย่างไรก็ตาม การซึมผ่านของออกซิเจนเป็นข้อเสียเมื่อทำการเพาะเลี้ยงไมโครไบโอมแบบไม่ใช้ออกซิเจนกับเซลล์ในลำไส้ [20,37] ในการทดสอบสารประกอบที่ไม่ชอบน้ำ เช่น ในการศึกษาความเป็นพิษของยาหรือการศึกษาประสิทธิภาพ ไม่แนะนำให้ใช้ PDMS เนื่องจากจะดูดซับโมเลกุลที่ไม่ชอบน้ำขนาดเล็ก ดังนั้น MPS ที่ประกอบด้วยวัสดุเฉื่อยมากกว่า ซึ่งป้องกันการจับตัวของสารประกอบแบบไม่เฉพาะเจาะจงจึงเชื่อถือได้มากที่สุด ตัวอย่างเช่น Edington และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาแพลตฟอร์มไมโครฟลูอิดิกที่ใช้โพลีสไตรีนของ MPS ที่เชื่อมต่อถึงกันในความพยายามที่จะสร้างกายภาพบนชิปที่สามารถสร้างโปรไฟล์การกระจายโมเลกุลที่ซับซ้อนสำหรับการใช้งานการค้นพบยาขั้นสูง [50]

การพัฒนาแพลตฟอร์มที่มีเซ็นเซอร์แบบบูรณาการ (ออกซิเจน ยูเรีย แลคเตท หรือกลูโคส) และ/หรือความโปร่งใสของการมองเห็นได้อำนวยความสะดวกในการวิเคราะห์เซลลูลาร์แบบเรียลไทม์แบบไม่รุกล้ำ (กล่องที่ 3) [51,52] เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้มีการพัฒนาแพลตฟอร์มที่มีเซนเซอร์โมดูลาร์แบบครบวงจร สิ่งนี้ดำเนินการหน่วย MPS ในลักษณะที่ต่อเนื่อง เป็นไดนามิก และเป็นไปโดยอัตโนมัติ และรวมถึงเซ็นเซอร์ทางกายภาพเพื่อตรวจสอบสภาพแวดล้อมระดับจุลภาคนอกเซลล์ เซ็นเซอร์ชีวเคมีเพื่อวัดไบโอมาร์คเกอร์ที่ละลายน้ำได้ กล้องจุลทรรศน์ขนาดเล็กเพื่อจับภาพการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยา และเขียงหั่นขนมไมโครฟลูอิดิกเพื่อกำหนดเส้นทางของของเหลวในเวลาที่เหมาะสม ลักษณะ [53]

การวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์ยังจำเป็นในการสร้างว่าข้อมูลการทดลองที่ได้มาจาก MPS สามารถอนุมานถึงประสิทธิภาพในร่างกายได้หรือไม่ [54] ดังนั้น การบูรณาการอัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่อง (ในการสร้างแบบจำลองซิลิโก) ควรกลายเป็นองค์ประกอบเชิงกลยุทธ์ของ MPS [55] แบบจำลองการคำนวณสามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อช่วยแก้ไขข้อจำกัดของ MPS ที่เชื่อมโยงกับการทดลอง และนำข้อมูลมาอยู่ในขอบเขตของการศึกษาในสัตว์ทดลองและวิธีการคาดการณ์ [54] การคาดการณ์ที่ได้รับจากการศึกษาในซิลิโกสามารถให้ข้อเสนอแนะเพื่อปรับปรุงแบบจำลอง MPS เพิ่มเติมได้ [55] ตัวอย่างเช่น ในการศึกษาซิลิโกสามารถนำมาใช้เพื่อจำลองการเคลื่อนไหวของเซลล์ภูมิคุ้มกันตามความเสียหายของสิ่งกีดขวางในลำไส้และทำนายพฤติกรรมของเซลล์เมื่อสัมผัสกับพารามิเตอร์หรือชีวโมเลกุลจำเพาะ [56–59]

ข้อสังเกตและมุมมองในอนาคต

ในศตวรรษหน้า ความชุกของ CKD จะเพิ่มขึ้นอย่างมากทั่วโลก ทำให้เกิดความท้าทายทางเศรษฐกิจและสังคมที่สำคัญ โดยไม่คำนึงถึงประเทศต้นกำเนิด พบว่าค่าใช้จ่ายด้านการรักษาพยาบาลและสังคมประจำปีเพิ่มขึ้นควบคู่ไปกับความก้าวหน้าของ CKD [60] โดยเน้นถึงความจำเป็นเร่งด่วนสำหรับแพลตฟอร์มแบบจำลองโรคเพื่อศึกษาพยาธิสรีรวิทยาของ CKD และระบุเป้าหมายการรักษาที่เป็นไปได้

อย่างไรก็ตาม ยังคงมีความท้าทายมากมายที่ต้องแก้ไข และหลายประเด็นต้องได้รับการแก้ไขก่อนที่จะสามารถพัฒนา MPS ที่จำลอง CKD ได้อย่างถูกต้อง (ดู คำถามที่โดดเด่น) ตัวอย่างเช่น เหตุการณ์เริ่มต้นที่กระตุ้นให้เกิด CKD ยังไม่ทราบ ทำให้แบบจำลองของการโจมตี CKD ใน MPS มีความท้าทายไตการบาดเจ็บที่นำไปสู่การพัฒนาของ CKD นั้นมีความหลากหลายในธรรมชาติและมักเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบหัวใจและหลอดเลือดทำให้การแสดงได้ยากขึ้น นอกจากนี้ องค์ประกอบของไมโครไบโอมในลำไส้มีความซับซ้อนและท้าทายในการสืบพันธุ์ อย่างไรก็ตาม เป็นข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับแบบจำลองโรค CKD การพัฒนาที่ประสบความสำเร็จล่าสุดของ MPS ที่รวมแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนเกิดขึ้นได้โดยการรวมตัวของไบโอเซนเซอร์สำหรับการตรวจวัดออกซิเจน ตลอดจนการรวมการควบคุมการไหลและชั้นเมือกที่ช่วยลดการเจริญเติบโตของแบคทีเรียและจำกัดความเสียหายของเซลล์ในลำไส้ (ตารางที่ 1) อย่างไรก็ตาม กลุ่มแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนในวงกว้างยังคงต้องดำเนินการให้สำเร็จ แม้ว่าสิ่งนี้จะจำเป็นสำหรับการแสดงตัวอย่างทางสรีรวิทยาของไมโครไบโอมในลำไส้ ปัญหาเกี่ยวกับวัสดุดูดซับและการซึมผ่านของอากาศยังเป็นอุปสรรคสำคัญในภาคสนาม ซึ่งท้าทายความเหมาะสมของระบบสำหรับการเจริญเติบโตของแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนหรือสำหรับการทดสอบสารประกอบไลโปฟิลิก ความเกี่ยวข้องของการเชื่อมต่อระหว่างอวัยวะได้รับการเน้นอย่างมากในการทบทวนนี้ ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งที่จะบูรณาการระบบไหลเวียนโลหิตและภูมิคุ้มกันภายใน MPS แต่สิ่งเหล่านี้ได้รวมอยู่ในแบบจำลองเพียงไม่กี่แบบเท่านั้น

ด้วยการเสริมสร้างสหวิทยาการ การรวม bioprinting, biomaterials และ biosensors สำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ของ microenvironment สามารถระบุลักษณะทางกายวิภาคและชีวเคมีตลอดจนความซับซ้อนของระบบที่จำเป็นในการเพิ่มความเกี่ยวข้องทางสรีรวิทยา เมื่อเทคโนโลยี MPS ก้าวหน้า ควบคู่ไปกับแนวโน้มปัจจุบันที่มีต่อแนวทางสหสาขาวิชาชีพที่ได้รับการปรับปรุง คำถามที่ยังไม่ได้คำตอบเหล่านี้จะได้รับการกล่าวถึงในที่สุด

รับทราบ

โครงการนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากโครงการวิจัยและนวัตกรรมของสหภาพยุโรป Horizon 2020 ภายใต้ข้อตกลงการให้ทุนสนับสนุนของ Marie Skłodowska Curie STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329) รวมถึงการโทรแบบกว้างๆ-05-2018-TWINNING รีโมเดล (857491) งานนี้ได้รับการสนับสนุนเพิ่มเติมโดย Dutchไตมูลนิธิ (DKF, 17OI13). RM เป็นสมาชิกของกลุ่มงาน EUTox ที่รับรองโดย ESAO/ERA-EDTA

อ้างอิง

1. Himmelfarb, J. et al. (2020) ภูมิทัศน์ปัจจุบันและอนาคตของการฟอกไต แนท. รายได้ Nephrol. 16, 573–585

2. Evenepoel, P. et al. (2017) ไส้–ไตแกน. กุมาร. เนฟรอล 32, 2005–2014

3. De Sordi, L. et al. (2017) microbiota ในลำไส้ช่วยส่งเสริมความหลากหลายทางพันธุกรรมและการติดเชื้อของไวรัสแบคทีเรีย Cell Host Microbe 22, 801–808

4. Rukavina Mikusic, NL และคณะ (2020) จุลินทรีย์ในลำไส้และเรื้อรังไตโรค: หลักฐานและกลไกที่เป็นตัวกลางใหม่

การสื่อสารในแกนทางเดินอาหาร-ไต ซุ้มประตูฟลูเกอร์ส 472, 303–320

5. Nigam, SK และ Bush, KT (2019) Ureamic syndrome ของเรื้อรังไตโรค: การเปลี่ยนแปลงการรับรู้และการส่งสัญญาณระยะไกล แนท. รายได้ Nephrol. 15, 301–316

6. Okada, H. et al. (2020) ประเด็นสำคัญจากแนวปฏิบัติทางคลินิกตามหลักฐานสำหรับโรคเรื้อรังไตโรค 2018. คลินิก. ประสบการณ์ เนฟรอล 23, 1–15

7. Becker, GJ and Hewitson, TD (2013) โมเดลสัตว์เรื้อรังไตโรค: มีประโยชน์แต่ไม่สมบูรณ์แบบ เนฟรอล โทร. การปลูกถ่าย 28 พ.ศ. 2432–2438

8. Faria, J. et al. (2019)ไต- แบบจำลองในหลอดทดลองสำหรับการทดสอบความเป็นพิษที่เกิดจากยา โค้ง. ท็อกซิคอล 93, 3397–3418

9. Beebe ดีเจและคณะ (2002) ฟิสิกส์และการประยุกต์ใช้ไมโครฟลูอิดิกส์ทางชีววิทยา. อันนุ. รายได้ Biomed. อังกฤษ 4, 261–286

10. Zhang, B. et al. (2018) ความก้าวหน้าทางวิศวกรรมอวัยวะบนชิป แนท. รายได้ Mater. 3, 257–278

11. Lin, B. และ Levchenko, A. (2015) การจัดการเชิงพื้นที่ด้วยไมโครฟลูอิดิกส์ ด้านหน้า. บิง. เทคโนโลยีชีวภาพ 3, 39

12. ยำ K. et al. (2014) อวัยวะที่เกี่ยวข้องทางสรีรวิทยาบนชิป เทคโนโลยีชีวภาพ จ. 9, 16–27

13. ฮะ D. et al. (2010) การสร้างการทำงานของปอดระดับอวัยวะบนชิป วิทยาศาสตร์ 328, 1662–1668

14. Lee, SH และ Sung, JH (2018) เทคโนโลยี Organ-on-a-chip สำหรับการทำซ้ำสรีรวิทยาหลายอวัยวะ โฆษณา ค. มาเตอร์ 7, 1700419

15. ซุง JH และคณะ (2019) ความก้าวหน้าล่าสุดในระบบ body-on-a-chip ก้น เคมี. 91, 330–351

16. Kim, HJ และคณะ (2012) ลำไส้ของมนุษย์อาศัยอยู่โดยจุลินทรีย์ที่มีการเคลื่อนไหวและการไหลเหมือนการบีบตัวของลำไส้ ชิปแล็บ 12, 2165–2174

17. Kim, HJ and Ingber, DE (2013) สภาพแวดล้อมขนาดเล็กของ Gut-on-a-Chip กระตุ้นให้เซลล์ในลำไส้ของมนุษย์ได้รับความแตกต่างของวิลลัส จำนวนเต็ม. ไบโอล. (แคมบ์) 5, 1130–1140

18. Kim, HJ และคณะ (2016) การมีส่วนร่วมของไมโครไบโอมและการเปลี่ยนรูปทางกลต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรียในลำไส้มากเกินไปและการอักเสบในลำไส้ของมนุษย์ Proc. นัท อคาเด วิทย์. สหรัฐอเมริกา 113, E7–E15

19. Jalili-Firoozinezhad, S. et al. (2019) ไมโครไบโอมในลำไส้ของมนุษย์ที่ซับซ้อนซึ่งเพาะเลี้ยงในลำไส้แบบไม่ใช้ออกซิเจน แนท. ไบโอเมด อังกฤษ 3, 520–531

20. Creff, J. et al. (2019) การสร้างโครงนั่งร้าน 3 มิติเพื่อสร้างภูมิประเทศเยื่อบุผิวในลำไส้ด้วยภาพสามมิติสามมิติที่มีความละเอียดสูง วัสดุชีวภาพ 221, 119404