माइक्रोफिजियोलॉजिकल सिस्टम आंत-किडनी एक्सिस को पुनर्पूंजीकृत करने के लिए

लौरा जिओर्डानो,^1,3सिल्विया मारिया मिहैला,^1,3हुसैन एस्लामी अमीराबादी,^1,2और रोसालिंडे मासेरेउव

दीर्घकालिकगुर्दारोग (सीकेडी) आम तौर पर अन्य सहवर्ती रोगों के साथ प्रकट होता है, अंतर्निहित जटिल पैथोफिज़ियोलॉजी को उजागर करता है जिसे द्विदिश आंत द्वारा व्यापक रूप से संशोधित माना जाता है-गुर्दाक्रॉसस्टॉक ऊतक इंजीनियरिंग, फैब्रिकेशन, माइक्रो-यूडिक्स और बायोसेंसर में प्रगति के संयोजन से, माइक्रो फिजियोलॉजिकल सिस्टम (एमपीएस) पशु मॉडल की सीमाओं को संबोधित करते हुए, कई अंगों के इन विट्रो इंटरकनेक्शन का अनुकरण करने के लिए आशाजनक दृष्टिकोण के रूप में उभरे हैं। इन विट्रो में आंत-गुर्दे की धुरी के (पैथो) शारीरिक अवस्थाओं की नकल करने के लिए एक MPS की आवश्यकता होती है जो न केवल इस प्रत्यक्ष द्विदिश क्रॉसस्टॉक का अनुकरण कर सकता है, बल्कि अन्य शारीरिक प्रतिभागियों जैसे कि यकृत और प्रतिरक्षा प्रणाली के योगदान का भी अनुकरण कर सकता है। हम क्षेत्र में हाल के घटनाक्रमों पर चर्चा करते हैं जो संभावित रूप से सीकेडी में आंत-गुर्दे की धुरी के इन विट्रो मॉडलिंग को जन्म दे सकते हैं।

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क्रोनिक किडनी रोग: बाधित इंटर-ऑर्गन और इंटर-ऑर्गेनिज्मल सिग्नलिंग के साथ एक मेटाबोलिक डिसऑर्डर

दीर्घकालिकगुर्दारोग (सीकेडी) सबसे व्यापक हैगुर्दारोग और समय के साथ अंग कार्य के क्रमिक नुकसान की विशेषता है, जो रक्त से चयापचय अपशिष्ट उत्पादों को बदलने की क्षमता को कम करता है (बॉक्स 1)। गुर्दे में कई अति विशिष्ट कार्य होते हैं, जैसे रक्त निस्पंदन और चयापचय अपशिष्ट को हटाने के लिए सक्रिय स्राव, आवश्यक पोषक तत्वों का पुन: अवशोषण, रक्त की मात्रा और इलेक्ट्रोलाइट होमियोस्टेसिस का रखरखाव, और चयापचय और अंतःस्रावी गतिविधि [1]।

सीकेडी के जटिल और गूढ़ पैथोफिज़ियोलॉजी द्वारा संशोधित माना जाता हैगुर्दाकई अंगों और प्रणालियों के साथ क्रॉसस्टॉक, विशेष रूप से जठरांत्र संबंधी मार्ग के साथ द्विदिश अंतर-अंग संचार के माध्यम से, जिसे आंत-गुर्दे की धुरी कहा जाता है। मानव आंत रोगाणुओं के एक जटिल समुदाय को समायोजित करता है जो अपने मेजबान [3] के साथ एक सामान्य संबंध में रहते हैं और मानव चयापचय में महत्वपूर्ण और अद्वितीय योगदान प्रदान करते हैं (शब्दावली देखें)। सहजीवन में, आंतों का अवशोषण लाभकारी माइक्रोबियल मेटाबोलाइट्स के तेज को सुनिश्चित करता है, जबकि गुर्दे संभावित विषाक्त चयापचय अंत-उत्पादों को उत्सर्जित करके होमोस्टैसिस को बनाए रखते हैं। इसके विपरीत, गुर्दे की विफलता के परिणामस्वरूप आंत माइक्रोबायोटा-व्युत्पन्न मेटाबोलाइट्स (यानी, यूरीमिक टॉक्सिन्स) का संचय होता है, जिससे यूरेमिक सिंड्रोम का विकास होता है। यह जटिलता आंत डिस्बिओसिस में योगदान करती है जो सीकेडी की शुरुआत और प्रगति (बॉक्स 2 और चित्रा 1) [4] में शामिल सूजन, अंतःस्रावी और तंत्रिका संबंधी मार्गों को प्रतिकूल रूप से प्रभावित करती है। कुल मिलाकर, सीकेडी को एक चयापचय विकार के रूप में देखा जा सकता है जो प्रतिरक्षा प्रणाली के अतिसक्रियण के साथ मेटाबोलाइट्स और सिग्नलिंग अणुओं के बाधित अंतर-अंग और अंतर-जीव प्रवाह को दर्शाता है (चित्र 2)। तदनुसार, यूरेमिक टॉक्सिन्स [5] के माध्यम से आंत-किडनी रिमोट सिग्नलिंग की केंद्रीय भूमिका सीकेडी में आंत चयापचय को और अधिक चिह्नित करने की आवश्यकता को बढ़ाती है।

परंपरागत रूप से,गुर्दारोग अनुसंधान काफी हद तक नैदानिक ​​[6] और पशु अध्ययन [7] पर निर्भर करता है जो प्रयोगात्मक मापदंडों पर सीमित नियंत्रण प्रदान करते हैं और उच्च अंतर-प्रजाति परिवर्तनशीलता रखते हैं। इन विट्रो प्रायोगिक मॉडल में उपयुक्त की कमी के कारण, वर्तमान में सेल कल्चर सिस्टम की एक अनिवार्य आवश्यकता है जो 3 डी स्कैफोल्ड और माइक्रो-यूडिक्स सहित अत्यधिक नियंत्रित और विशिष्ट संस्कृति सूक्ष्म वातावरण के उपयोग के माध्यम से विवो अंग फ़ंक्शन के विभिन्न पहलुओं को पकड़ सकता है। ]. बहुकोशिकीय संवर्धन और जैव निर्माण में प्रगति को देखते हुए, वास्तविक समय की निगरानी सुविधाओं का एकीकरण, और प्रयोगात्मक मापदंडों का स्वतंत्र नियंत्रण, इन विट्रो में मानव शरीर क्रिया विज्ञान की जटिलताओं को कैप्चर करना निश्चित रूप से दृष्टि में है। हम इन विट्रो मॉडल में 3डी के क्षेत्र में सबसे प्रतीकात्मक और हालिया प्रगति का एक व्यापक अवलोकन प्रदान करते हैं और एक 3डी द्विदिश आंत-किडनी अक्ष प्रणाली के विकास के लिए उनकी प्रासंगिकता पर प्रकाश डालते हैं। हम उन प्रमुख बाधाओं पर भी चर्चा करते हैं, जो उन्हें दूर करती हैं, और सीकेडी के संदर्भ में इस क्षेत्र की वर्तमान दिशा में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करती हैं।

जटिल अंग अंतर्संबंधों को जानने के लिए माइक्रोफिजियोलॉजिकल मॉडल

माइक्रोग्राफी सोशियोलॉजिकल सिस्टम (एमपीएस) के आगमन, जिसे ऑर्गन-ऑन-चिप्स (ओओसी) भी कहा जाता है, ने व्यक्तिगत अंगों और इंटर-ऑर्गन क्रॉसस्टॉक में शामिल शारीरिक प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए नई संभावनाएं पैदा की हैं। विभिन्न बहु-एमपीएस की एक श्रृंखला उभर रही है जो अंगों की कार्यात्मक इकाइयों के साथ-साथ उनके बीच क्रॉसस्टॉक के अनुकरण के लिए एक 'फिजियोम-ऑन-ए-चिप' दृष्टिकोण को रेखांकित करती है, बजाय इसके कि पूरे अंग (अंगों) को पुन: उत्पन्न करने का लक्ष्य रखा जाए। तकनीकी दृष्टिकोण से, MPS में अक्सर सैकड़ों माइक्रोमीटर के क्रॉस-सेक्शनल आयामों वाले सिंगल या मल्टीपल माइक्रो-यूडिक चैनल होते हैं जिसमें छोटे वॉल्यूम (नैनोलिटर से माइक्रोलिटर) (पुनः) प्रसारित होते हैं। कोशिकाओं के बीच निकट संपर्क सुनिश्चित करके, ये वॉल्यूम न्यूनतम अभिकर्मक खपत और यौगिक कमजोर पड़ने [9,10] को सुनिश्चित करते हुए गतिशील सेल-सेल इंटरप्ले को कैप्चर करने की अनुमति देते हैं। जोड़ा गया लामिना का प्रवाह अपशिष्ट उत्पादों को हटाने के साथ-साथ ताजा पोषक तत्वों और ऑक्सीजन के साथ कोशिकाओं की आपूर्ति कर सकता है, और उनके आसपास के क्षेत्र में सटीक स्पोटियोटेम्पोरल रासायनिक और यांत्रिक ग्रेडिएंट उत्पन्न कर सकता है [11]। विभिन्न ऊतक एनालॉग्स का भौतिक अलगाव पतली झरझरा झिल्ली या बाह्य मैट्रिक्स (ईसीएम) [12] की परतों द्वारा अलग किए गए माइक्रोचैनल में कंपार्टमेंटलाइज़ेशन के माध्यम से प्राप्त किया जाता है।

लंग-ऑन-ए-चिप प्लेटफॉर्म का निर्माण, जिसमें फेफड़े के श्वसन की नकल करने के लिए यांत्रिक तनाव और कई सेल प्रकारों को जोड़ा गया, जैविक रूप से प्रेरित MPS [13] के विकास का बीड़ा उठाया। तब से, माइक्रोफ्लुइडिक हैंडलिंग में प्रगति ने विभिन्न अंग मॉडल को जोड़ना और एक या कई उपकरणों के भीतर उनके क्रॉसस्टॉक को नियंत्रित करना संभव बना दिया है [14,15]। क्षेत्र में नवीनतम विकास हमें आंत मॉडलिंग के संबंध में इन प्रगति पर चर्चा करने के लिए प्रेरित करते हैं-गुर्दासीकेडी में धुरी और अंतर-अंग संचार का समर्थन करने के लिए एमपीएस की आवश्यकताओं का पता लगाने, उन्हें सिलिको मॉडल के भीतर संयोजन के सहक्रियात्मक दृष्टिकोण को भी ध्यान में रखते हुए।

MPSs का उपयोग करके आंत-किडनी अक्ष को दोहराने के लिए मार्ग में

माइक्रोफ्लुइडिक्स, टिशू इंजीनियरिंग और माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम को एकीकृत करके कई गट-ऑन-ए-चिप सिस्टम स्थापित किए गए हैं। सबसे अधिक प्रतिनिधि विन्यासों में, Wyss Institute (USA) के गट-ऑन-ए-चिप ने शारीरिक रूप से प्रासंगिक द्रव साथी और क्रमाकुंचन-जैसे यांत्रिक बलों के अनुप्रयोग के माध्यम से गतिशील मानव आंतों के सूक्ष्म वातावरण का सफलतापूर्वक अनुकरण किया, और ये समर्थित सेल भेदभाव को विलस में - और क्रिप्ट जैसी संरचनाएं, एक मोटी उपकला मोनोलेयर का निर्माण, और वर्धित सेलुलर फ़ंक्शन (चित्र 3ए) [16-19]। हाल ही में, टोपोलॉजिकल विशेषताएं सेल फ़ंक्शन को निर्देशित करने में महत्वपूर्ण बनकर उभरी हैं, लेकिन केवल कुछ अध्ययनों ने माइक्रोफ्लुइडिक सिस्टम में क्रिप्ट-विलस आर्किटेक्चर को दोहराने का प्रयास किया है जिसे अब 3 डी उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्टीरियोलिथोग्राफी [20], फोटोलिथोग्राफी [21] के माध्यम से आसानी से प्राप्त किया जा सकता है। ], और क्रॉसलिंक्ड हाइड्रोजेल का माइक्रो-मोल्डिंग [22]। वर्तमान में, आंतों की नलिका जैसी संरचनाओं की नकल करने के लिए प्रति फ्यूसिबल खोखले-फाइबर झिल्ली प्रणाली [23,24] या माइक्रोचैनल्स [25] के लुमेन में आंतों की कोशिकाओं को संवर्धित करके संबोधित किया गया है। एक ईसीएम कोटिंग और यूनिडायरेक्शनल एपिकल फेलो के अलावा विलस जैसी संरचनाओं के साथ एक परिपक्व आंतों के नलिका फेनोटाइप में परिणाम हुआ। क्लोस्ट्रीडियम डिफिसाइल स्रावित विष ए, एक प्राकृतिक आंत निवासी विषाणु कारक और डिस्बिओसिस में आंतों की बाधा अवरोधक, या आंत माइक्रोबायोटा-व्युत्पन्न मेटाबोलाइट, पी-क्रेसोल के संपर्क में, जिसके परिणामस्वरूप बाधा पारगम्यता में वृद्धि हुई [23,24]। सहवर्ती रूप से, p-cresol को p-cresyl सल्फेट और p-cresyl glucuronide में बदल दिया गया, अंत-मेटाबोलाइट्स जो CKD प्रगति के दौरान प्लाज्मा में जमा हो जाते हैं, संभवतः साइटोक्रोम P 450- के माध्यम से संयुग्मन के बाद मध्यस्थता चयापचय के माध्यम से, इस प्रकार योगदान को उजागर करते हैं। आंत माइक्रोबायोटा-व्युत्पन्न मेटाबोलाइट्स के यूरेमिक टॉक्सिन्स में बायोट्रांसफॉर्मेशन [23]।

आंतों के उपकला की जटिलता और विविधता को 3 डी मानव ऊतक ऑर्गेनोइड [26,27] का उपयोग करके मज़बूती से पुनर्पूंजीकृत किया जा सकता है। हालांकि, उनका उपयोग चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है क्योंकि उनके बंद, बाहरी विन्यास में परिवहन अध्ययन और कॉमेन्सल और रोगजनक बैक्टीरिया के संपर्क में बाधा आती है। फिर भी, थॉर्न और सहकर्मियों ने दिखाया कि, ऑर्गेनोइड्स के एंजाइमैटिक पृथक्करण के माध्यम से, प्राथमिक आंतों की कोशिकाएं आत्म-व्यवस्थित करने में सक्षम थीं और डे नोवो अलग-अलग या विभेदित क्षेत्रों में अलग हो जाती थीं, जिससे आला-जैसे डिब्बे बनते थे [28]। स्वतंत्र साथी और चक्रीय विरूपण के तहत सुसंस्कृत एक अलग माइक्रोवैस्कुलर एंडोथेलियम को एकीकृत करके, इन कोशिकाओं के अवशोषण गुणों का मूल्यांकन किया गया [29,30]। हाल ही में, प्रति फ्यूसिबल लुमेन के साथ एक ट्यूब के आकार के एपिथेलियम में क्रिप्ट-विलस डोमेन का समावेश स्व-पुनर्योजी क्षमता [31] के साथ स्टीरियोटाइपिकल सेल पैटर्निंग सुविधाओं को बनाए रखने के लिए प्रदर्शित किया गया था।

कई दिनों तक व्यवहार्य जटिल माइक्रोबायोटा को बनाए रखने के लिए पारंपरिक मॉडल की अक्षमता से मेजबान-माइक्रोबायोटा इंटरैक्शन के इन विट्रो अध्ययन में बाधा उत्पन्न हुई है। यद्यपि मेजबान-माइक्रोबायोम इंटरैक्शन में श्लेष्म परत के योगदान को अक्सर अनदेखा कर दिया गया है, हाल ही में यह प्रदर्शित किया गया था कि एक मोटी श्लेष्म परत का एकीकरण - बैक्टीरिया और आंतों के उपकला के बीच एक शारीरिक बाधा के रूप में कार्य करता है - बाधा क्षति और पैरासेलुलर पारगम्यता में देरी कर सकता है। [32,33]। तदनुसार, परिष्कृत माइक्रोफ्लुइडिक मॉडल, HuMiX, ने एक कार्यात्मक बलगम परत के साथ-साथ स्पंदनशील साथी और यांत्रिक उत्तेजना (चित्रा 3 बी) [34] को शामिल करके अवायवीय बैक्टीरिया और आंतों की कोशिकाओं के प्रत्यक्ष सहसंस्कृति को सक्षम किया।

आंत माइक्रोबायोटा के अधिकांश भाग अवायवीय अवायवीय हैं जिनकी आवश्यकता होती है<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="">

विकासगुर्दानेफ्रॉन के भीतर बहुकोशिकीय संरचना और कार्यात्मक जटिलता को इन विट्रो में पुनर्पूंजीकृत करने के लिए कार्यात्मक कोशिकाओं की कमी के कारण -ऑन-ए-चिप सिस्टम भी चुनौतीपूर्ण रहा है। तदनुसार, गट-ऑन-ए-चिप डिवाइस के सापेक्ष, का विकासगुर्दा-ऑन-ए-चिप सिस्टम कुछ हद तक पिछड़ रहा है। आज तक, ग्लोमेरुलर, समीपस्थ नलिका और डिस्टल ट्यूब्यूल फिजियोलॉजी के मॉडल विकसित किए गए हैं, लेकिन सभी घटकों का एक पूर्ण नेफ्रॉन-ऑन-ए-चिप में एकीकरण हासिल किया जाना बाकी है [38]। शारीरिक रूप से प्रासंगिक होने के लिए, सेलुलर जटिलता के अलावा, एक बायोमिमेटिकगुर्दा-ऑन-ए-चिप को (i) सेल-सेल इंटरैक्शन को एकीकृत करना चाहिए जैसे कि पोडोसाइट्स या समीपस्थ ट्यूब्यूल एपिथेलियल कोशिकाओं और (सूक्ष्म) संवहनी एंडोथेलियम के बीच, (ii) ट्रांससेलुलर इलेक्ट्रोकेमिकल और ऑस्मोटिक प्रेशर ग्रेडिएंट्स जो पूरे तरल पदार्थ और मेटाबोलाइट्स को ड्राइव करते हैं। अंतरालीय स्थान, (iii) द्रव साथी, और (iv) गुर्दे की नलिकाओं की संरचनात्मक व्यवस्था, साथ ही (v) सेलुलर चयापचय और अंतःस्रावी कार्य [38]।

समीपस्थ नलिका उपापचयी अपशिष्ट उत्सर्जन और जैव-अणु पुनर्अवशोषण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है और इसलिए इन विट्रो के विकास में रुचि का एक प्रमुख केंद्र रहा है।गुर्दा-ऑन-ए-चिप सिस्टम जो विवो में पुनर्पूंजीकरण करते हैंगुर्दाऊतक। कार्यात्मक का विकासगुर्दाबायोफंक्शनलाइज्ड खोखले फाइबर के साथ समीपस्थ नलिका कोशिकाओं का उपयोग करने वाली नलिकाओं ने जेन्सन और सहकर्मियों को आंत माइक्रोबायोटा-व्युत्पन्न मेटाबोलाइट्स के स्रावी निकासी का अध्ययन करने में सक्षम बनाया। इस प्रणाली ने शोधकर्ताओं को यह प्रदर्शित करने में सक्षम किया कि कैसे, रिमोट सेंसिंग और सिग्नलिंग के माध्यम से, समीपस्थ नलिका कोशिकाएं इंडोक्सिल सल्फेट के ऊंचे स्तर को महसूस करती हैं और तदनुसार स्थिर मेटाबोलाइट स्तर और होमोस्टेसिस [39] को बनाए रखने के प्रयास में उनके उत्सर्जन के लिए जिम्मेदार ट्रांसपोर्टरों की अभिव्यक्ति को समायोजित करती हैं।

एंडोथेलियम-इंटरस्टिशियल स्पेस-एपिथेलियम इंटरैक्शन संचार और मूत्र डिब्बों के बीच विलेय के निरंतर आदान-प्रदान को नियंत्रित करता है। लिन और सहकर्मियों ने सफलतापूर्वक एक सुगंधित 3डी संवहनी समीपस्थ नलिका विकसित की, जो विलेय के नलिका-वास्कुलचर एक्सचेंज के माध्यम से अनुकरण करने में सक्षम थी, के सक्रिय पुनर्अवशोषण कार्यगुर्दा[40]। यह मॉडल समय के साथ गुर्दा एल्बुमिन तेज और ग्लूकोज पुन: अवशोषण के प्रमाणीकरण के लिए मात्रा की अनुमति देता है, गुर्दे (पैथो) शारीरिक कार्यों और औषध विज्ञान की जांच के लिए एक आशाजनक उपकरण की पेशकश करता है। एक विलेय विनिमय के अलावा,गुर्दाइंटरस्टीशियल स्पेस को किसके विकास के लिए केंद्रीय माना जाता है?गुर्दाफाइब्रोसिस, सीकेडी की एक बानगी। ऐसा माना जाता है कि यह इंटरस्टीशियल मायोफिब्रोब्लास्ट सक्रियण और बाद में ईसीएम बयान के परिणामस्वरूप ट्यूबल इंटरस्टीशियल स्पेस के निशान के कारण होता है। फिर भी, केवल कुछ अध्ययनों ने इन विट्रो सिस्टम में 3डी में इसके एकीकरण की सूचना दी है। मोल और सहकर्मियों [41] द्वारा शारीरिक रूप से प्रासंगिक इन विट्रो प्रणाली में किडनी फाइब्रोसिस के अध्ययन के लिए एक सरल और अत्यधिक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य 3 डी ट्यूबल / इंटरस्टिटियम माइक्रोएन्वायरमेंट मॉडल की मान्यता की सूचना दी गई थी। इस अध्ययन ने तीव्र ट्यूबलर चोट की सफलतापूर्वक नकल करने के लिए सिस्प्लैटिन का उपयोग किया। रीनल ट्यूब्यूल/इंटरस्टिटियम माइक्रोएन्वायरमेंट की इन विट्रो प्रतिकृति को रीनल फ़ाइब्रोब्लास्ट्स के बजाय मानव त्वचीय फ़ाइब्रोब्लास्ट का उपयोग करके प्राप्त किया गया था क्योंकि पूर्व में बेसल स्थितियों के तहत फ़ाइब्रोोटिक मार्करों के निम्न स्तर व्यक्त होते हैं। फिर भी, इस सीमा के बावजूद, प्रणाली ने प्रदर्शित किया कि उपकला कोशिकाएं मायोफिफिब्रोब्लास्ट की सक्रियता और भेदभाव को ट्रिगर करने में केंद्रीय भूमिका निभाती हैं। मोल और सहकर्मियों ने प्राथमिक वृक्क फाइब्रोब्लास्ट का उपयोग करके इस अध्ययन को दोहराने का प्रयास किया लेकिन परिणामों में बड़ी परिवर्तनशीलता का सामना करना पड़ा। सीकेडी में अंतरालीय स्थान के महत्व को देखते हुए, रोग की शुरुआत और प्रगति में इसकी भूमिका को स्पष्ट करने के लिए आगे 3डी इन विट्रो अध्ययन आवश्यक होगा।

गुर्दे25 (ओएच) विटामिन डी को पहली स्थिति में हाइड्रॉक्सिलेशन द्वारा सक्रिय करता है, जिसके परिणामस्वरूप 1,25 (ओएच) 2विटामिन डी, एक आवश्यक हार्मोन होता है जो अक्सर सीकेडी रोगियों में कमी होती है और जो आंत माइक्रोबायोटा संरचना और बाधा अखंडता को प्रभावित कर सकती है। हाल ही में, यकृत चयापचय का एक ऑन-चिप प्रतिनिधित्व औरगुर्दाविटामिन डी की सक्रियता को एक माइक्रोफ्लुइडिक चिप में विटामिन डी युक्त माध्यम का छिड़काव करके विकसित किया गया था, यह सुझाव देते हुए कि एमपीएस प्रौद्योगिकियों [42] का उपयोग करके जटिल अंतर-अंग चयापचय बातचीत अत्यधिक प्राप्य है।

सीकेडी में, शॉर्ट-चेन फैटी एसिड (एससीएफए) उत्पादन में कमी, यूरेमिक टॉक्सिन उत्पादन में एक साथ वृद्धि और उनके प्रणालीगत संचय [4] द्वारा पूरक, सीकेडी की विशिष्ट पुरानी सूजन की स्थिति को चलाने के लिए माना जाता है [4,43 ]. दरअसल, एससीएफए, विशेष रूप से ब्यूटायरेट, दोनों नेफ्रोप्रोटेक्टिव और आंतों के सुरक्षात्मक प्रभाव [4,44] हैं, और ब्यूटायरेट के उच्च स्तर को इसके विरोधी भड़काऊ गुणों [45] के परिणामस्वरूप आंत बाधा अखंडता और आंतों की प्रतिरक्षा में सुधार के साथ जोड़ा गया है। फिर भी, हाल ही में ट्रैपेकर और सहकर्मियों द्वारा इसका खंडन किया गया था, जिन्होंने एक मनोदैहिक दृष्टिकोण में, यह प्रदर्शित किया कि SCFA एक आंत-यकृत मॉडल में एक भड़काऊ प्रतिक्रिया को बढ़ा सकते हैं। आंत और यकृत का प्रतिनिधित्व करने वाली दो वायवीय प्लेटों को अलग-अलग जोड़कर, सीडी 4 प्लस टी कोशिकाएं और भड़काऊ प्रकार 17 टी हेल्पर (Th17) कोशिकाएं दो डिब्बों के भीतर और बीच में फैल सकती हैं। एससीएफए के विरोधी प्रभाव सूजन की डिग्री के साथ सहसंबद्ध हो सकते हैं, एक बढ़े हुए भड़काऊ राज्य के साथ एक अधिक हानिकारक प्रभाव पैदा कर सकता है [46]।

हमारे ज्ञान के लिए, वर्तमान में कोई एमपीएस नहीं है जो आंत पर व्युत्पन्न मेटाबोलाइट्स के प्रभाव को संबोधित करता है,गुर्दा, या अन्य अंग, सीकेडी के संदर्भ में, उनके बायोट्रांसफॉर्म के सहवर्ती ट्रैकिंग के साथ। उत्पादन की द्विदिशता को ईमानदारी से पुनर्पूंजीकृत करने के लिए चिप को ट्यून करना और मेटाबोलाइट्स के प्रवाह को हटाना एक चुनौती होगी। सीकेडी रोगियों के मल के नमूनों से प्राप्त माइक्रोबायोटा को आंतों के माइक्रोफ्लुइडिक सिस्टम में एकीकृत करने से हमें माइक्रोबियल चयापचय में परिवर्तन का अध्ययन करने और दूरस्थ अंगों पर उनके (इन) प्रत्यक्ष प्रभावों का विश्लेषण करने में मदद मिलेगी, एक ऐसी विशेषता जो विवो प्रयोगों के माध्यम से प्राप्य नहीं है।

MPS के इन विवो ट्रांसलेशनल वैल्यू को बढ़ाने वाली तकनीकी प्रगति एक MPS डिजाइन करना चुनौतीपूर्ण है और इसके लिए एक बहु-विषयक दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि कोई भी एमपीएस 'यह सब नहीं कर सकता है, और आवेदन के आधार पर, विभिन्न प्रणालियों की आवश्यकता हो सकती है। आंत से निपटने के लिए उपलब्ध प्रणालियों के फायदे और सीमाएं-गुर्दाअक्ष को तालिका 1 में संक्षेपित किया गया है। क्षेत्र में सबसे आम चुनौतियों में से एक ऐसी प्रणाली को डिजाइन करना है जो जैविक रूप से जटिल हो और सेल संस्कृति प्रयोगशालाओं में स्थापित होने के लिए पर्याप्त रूप से तकनीकी रूप से सरल हो।

Ingber समूह (Wyss Institute, USA) ने सेल संवर्धन के लिए अच्छी तरह से अनुकूलित प्रोटोकॉल स्थापित किए हैं, जो माइक्रोफ्लुइडिक घटकों को चिप से जोड़ते हैं, और नमूना लेते हैं [16-18,47]। हालांकि तकनीकी रूप से उन्नत, उनके माइक्रोफ्लुइडिक सिस्टम को गैर-तकनीकी ऑपरेटरों के महत्वपूर्ण प्रशिक्षण की आवश्यकता होती है, यहां तक ​​​​कि स्वचालित माइक्रोफ्लुइडिक assays [47] के लिए भी। पंपलेस मल्टीऑर्गन चिप्स, शुलर प्रयोगशाला (कॉर्नेल यूनिवर्सिटी, यूएसए) के साथ-साथ हेस्परोस इंक (चित्र 3ई) और इनस्फेरो जैसी कंपनियों द्वारा अग्रणी, साथी और डिवाइस जटिलता पर सीमित नियंत्रण की कीमत पर थ्रूपुट को बढ़ाते हैं [48] (https://hesperosinc.com/)। हालांकि बायोफिजिकल संकेतों की नकल करने में सीमित, ग्रिफिथ प्रयोगशाला (मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, यूएसए) द्वारा विकसित एमपीएस अधिक पारंपरिक प्रोटोकॉल का उपयोग करता है, उदाहरण के लिए, ऊतक एनालॉग तक सीधी पहुंच को सक्षम करके और संशोधित मानक ट्रांसवेल® आवेषण (चित्रा) का उपयोग करके। 3सी, डी) [37,49]।

इनोवेटिव कंपनियों ने इसी तरह मल्टीऑर्गन प्लेटफॉर्म विकसित किए हैं, जैसे कि TissUse®। उनके ऑन-चिप पंप अंगों को जोड़ते हैं और सिस्टम को बबल ट्रैपिंग और रिसाव से कम प्रवण बनाते हैं। हालांकि, ये डिवाइस सीमित माइक्रोफ्लुइडिक रूटिंग की पेशकश करते हैं, उदाहरण के लिए, आंत मॉडल में एपिकल फेलो की कमी है, और ऊतक मॉडल का अनुकूलन मुश्किल है।

एक और बड़ी चुनौती चिप सामग्री है। PDMS अपनी उत्कृष्ट ऑक्सीजन पारगम्यता, ऑप्टिकल स्पष्टता और प्रोटोटाइप गुणों के कारण सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में से एक है। हालांकि, आंतों की कोशिकाओं के साथ अवायवीय माइक्रोबायोम को सहसंस्कृत करते समय ऑक्सीजन पारगम्यता एक नकारात्मक पहलू है [20,37]। हाइड्रोफोबिक यौगिकों के परीक्षण में, उदाहरण के लिए, दवा विषाक्तता या प्रभावकारिता अध्ययन में, पीडीएमएस की सिफारिश नहीं की जाती है क्योंकि यह छोटे हाइड्रोफोबिक अणुओं को अवशोषित करता है। इसलिए, अधिक अक्रिय सामग्रियों से बने MPS, जो यौगिकों के गैर-विशिष्ट बंधन को रोकते हैं, सबसे विश्वसनीय हैं। उदाहरण के लिए, एडिंगटन और सहकर्मियों ने एक फिजियोम-ऑन-ए-चिप को फिर से बनाने के प्रयास में इंटरकनेक्टेड एमपीएस का एक पॉलीस्टायर्न-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म विकसित किया, जो उन्नत दवा खोज अनुप्रयोगों के लिए जटिल आणविक वितरण प्रोफाइल उत्पन्न कर सकता है [50]।

एकीकृत सेंसर (ऑक्सीजन, यूरिया, लैक्टेट, या ग्लूकोज) और/या ऑप्टिकल पारदर्शिता वाले प्लेटफार्मों के विकास ने रीयल-टाइम गैर-इनवेसिव सेलुलर एनालिटिक्स (बॉक्स 3) [51,52] की सुविधा प्रदान की है। पूरी तरह से एकीकृत मॉड्यूलर सेंसिंग वाला एक प्लेटफॉर्म हाल ही में विकसित किया गया है। यह एमपीएस इकाइयों को निरंतर, गतिशील और स्वचालित तरीके से संचालित करता है, और बाह्य सूक्ष्म पर्यावरण की निगरानी के लिए भौतिक सेंसर, घुलनशील बायोमार्कर को मापने के लिए जैव रासायनिक सेंसर, रूपात्मक परिवर्तनों को पकड़ने के लिए लघु सूक्ष्मदर्शी, और समय पर तरल पदार्थ को रूट करने के लिए एक माइक्रोफ्लुइडिक-रूटिंग ब्रेडबोर्ड शामिल है। ढंग [53]।

कम्प्यूटेशनल विश्लेषण भी यह स्थापित करने के लिए आवश्यक है कि क्या एमपीएस-व्युत्पन्न प्रयोगात्मक डेटा को विवो प्रदर्शन [54] में एक्सट्रपलेशन किया जा सकता है। इस प्रकार, मशीन लर्निंग एल्गोरिदम (सिलिको मॉडलिंग में) का एकीकरण MPS [55] का एक रणनीतिक घटक बनना चाहिए। कम्प्यूटेशनल मॉडल को प्रयोगात्मक रूप से जुड़े एमपीएस की सीमाओं को हल करने में मदद करने के लिए समायोजित किया जा सकता है और डेटा को पशु अध्ययन और एक्सट्रपलेशन विधियों की सीमा के भीतर लाया जा सकता है [54]। सिलिको अध्ययनों से प्राप्त भविष्यवाणियां एमपीएस मॉडल [55] को और बेहतर बनाने के लिए प्रतिक्रिया प्रदान कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, सिलिको अध्ययनों में आंतों की बाधा क्षति के बाद प्रतिरक्षा सेल की गतिशीलता को मॉडल करने के लिए नियोजित किया जा सकता है और विशिष्ट मापदंडों या बायोमोलेक्यूल्स [56-59] के संपर्क में सेल व्यवहार की भविष्यवाणी की जा सकती है।

समापन टिप्पणियां और भविष्य के परिप्रेक्ष्य

अगली सदी में, दुनिया भर में सीकेडी की व्यापकता में भारी वृद्धि होने की भविष्यवाणी की गई है, जो महत्वपूर्ण आर्थिक और सामाजिक चुनौतियों का सामना कर रही है। मूल देश के बावजूद, वार्षिक स्वास्थ्य देखभाल और सामाजिक लागत सीकेडी [60] की प्रगति के समानांतर बढ़ती हुई पाई गई है, जिसमें सीकेडी पैथोफिजियोलॉजी का अध्ययन करने और संभावित चिकित्सीय लक्ष्यों की पहचान करने के लिए एक रोग मॉडल प्लेटफॉर्म की तत्काल आवश्यकता पर प्रकाश डाला गया है।

फिर भी, कई चुनौतियों का समाधान किया जाना बाकी है, और एमपीएस को विकसित करने से पहले कई मुद्दों को हल किया जाना चाहिए जो सटीक रूप से सीकेडी मॉडल (उत्कृष्ट प्रश्न देखें)। उदाहरण के लिए, प्रारंभिक घटनाएं जो सीकेडी की शुरुआत को प्रेरित करती हैं, अज्ञात रहती हैं, जिससे एमपीएस में सीकेडी की शुरुआत चुनौतीपूर्ण हो जाती है।गुर्दासीकेडी के विकास की ओर ले जाने वाली चोटें प्रकृति में विविध हैं और अक्सर एक कार्डियोवैस्कुलर घटक शामिल होता है, जिससे उनका प्रतिनिधित्व और भी कठिन हो जाता है। इसके अलावा, आंत माइक्रोबायोम की संरचना जटिल और पुनरुत्पादन के लिए चुनौतीपूर्ण है; फिर भी, यह सीकेडी रोग मॉडल के लिए एक अनिवार्य आवश्यकता है। एमपीएस के नवीनतम सफल विकास जो एनारोबिक बैक्टीरिया को एकीकृत करते हैं, ऑक्सीजन सेंसिंग के लिए बायोसेंसर के एकीकरण के साथ-साथ नियंत्रित प्रवाह और एक बलगम परत को शामिल करके संभव बनाया गया है जो बैक्टीरिया के अतिवृद्धि को कम करता है और आंतों की कोशिका क्षति (तालिका 1) को सीमित करता है। हालांकि, सिस्टम के भीतर व्यापक अवायवीय जीवाणु संघ को प्राप्त किया जाना बाकी है, हालांकि यह आंत माइक्रोबायोम के शारीरिक प्रतिनिधित्व के लिए आवश्यक होगा। अवशोषक और वायु-पारगम्य सामग्री के मुद्दे भी क्षेत्र में एक बड़ी बाधा का प्रतिनिधित्व करते हैं, एनारोबिक बैक्टीरिया के विकास के लिए या लिपोफिलिक यौगिकों के परीक्षण के लिए सिस्टम की उपयुक्तता को चुनौती देते हैं। इस समीक्षा में अंग अंतर्संबंधों की प्रासंगिकता को दृढ़ता से उजागर किया गया है; इसलिए एमपीएस के भीतर संचार और प्रतिरक्षा प्रणाली को एकीकृत करना महत्वपूर्ण है, लेकिन इन्हें केवल कुछ मॉडलों में शामिल किया गया है।

अंतःविषय को बढ़ाकर, सूक्ष्म पर्यावरण की वास्तविक समय की निगरानी के लिए बायोप्रिंटिंग, बायोमैटिरियल्स और बायोसेंसर का एकीकरण शारीरिक और जैव रासायनिक विशेषताओं के साथ-साथ उन प्रणालियों की जटिलता को संबोधित कर सकता है जो उनकी शारीरिक प्रासंगिकता को बढ़ाने के लिए आवश्यक हैं। जैसे-जैसे एमपीएस तकनीक आगे बढ़ती है, वर्तमान प्रवृत्ति के साथ-साथ बहु-विषयक दृष्टिकोणों को बढ़ाया जाता है, इन अनुत्तरित प्रश्नों को अंततः संबोधित किया जाएगा।

स्वीकृतियाँ

इस परियोजना को मैरी स्कोलोडोव्स्का क्यूरी अनुदान समझौते STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329) के साथ-साथ WIDESPREAD-05-2018-TWINNING कॉल के तहत EU क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम से धन प्राप्त हुआ। रेमोडेल (857491)। इस काम को आगे डचों ने समर्थन दियागुर्दाफाउंडेशन (डीकेएफ, 17ओआई13)। RM ESAO/ERA-EDTA-अनुमोदित कार्य समूह EUTox का सदस्य है।

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