Organ çipi teknolojisi: Hücre izlemeyi daha akıllı hale getirin!
Kılavuz
"Organ çipi", gelecek vaat eden yeni bir sınır teknolojisidir. Bugün herkesi organ çipini tanımaya ve Harvard Üniversitesi tarafından geliştirilen en son organ çipini tanıtmaya götürmek istiyorum.
Anahtar kelime
Organ çipi, biyotıp
arka fon
Son zamanlarda, size "çip üzerinde laboratuar" ın en son teknolojisini tanıttım. Adından da anlaşılacağı gibi, çip üzerindeki laboratuvar, laboratuvarın çipe taşınması anlamına gelir.Örnek hazırlama, biyokimyasal reaksiyon, algılama ve analiz gibi çeşitli laboratuvar işlemlerini birkaç santimetrekarelik bir çip üzerinde entegre edebilir. İnsan sağlığının izlenmesine yardımcı olmak için kirleticiler, biyobelirteçler vb. Tespit edilir ve analiz edilir.
Bugün, tanıtacağımız inovasyon hala, çip üzerinde bir laboratuvara benzeyen, önemli bir son teknoloji ile ilgili. Bu teknoloji: "çip üzerindeki organlar", "çip üzerindeki organlar" olarak da bilinir.
Peki, organ çipi nedir?
Organ çipi aslında insan organlarının veya tüm organ sisteminin aktivitelerini, mekaniklerini ve fizyolojik tepkilerini simüle edebilen çok kanallı üç boyutlu bir mikroakışkan hücre kültürü çipidir.Ayrıca yapay bir organ olduğu da söylenebilir.
Laboratuar-on-a-chip (LOCs) ve biyolojik hücre teknolojisinin kombinasyonu, bilim camiasına organların özelliklerini daha fazla incelemek için kolaylık sağlar.Özellikle, bu çalışmalar in vitro olarak gerçekleştirilebilir, bu da organ çiplerinin teknoloji ve araştırma alanına yol açmıştır. Organ çipleri, biyomedikal mühendisliğinin araştırma kategorisine, daha doğrusu biyolojik bir mikro-elektromekanik sisteme aittir.
Yukarıdaki açıklama sayesinde, organ çipinin temel yapısı, işlevi ve araştırma alanı hakkında bir ön anlayışa sahip olabilirsiniz. Bu noktada birisi sorabilir:
Organ çipi tam olarak ne yapıyor?
Basitçe söylemek gerekirse, organ çiplerinin rolü temelde yaşam araştırması, hastalık tedavisi, ilaç ve aşı araştırma ve geliştirmesine yansır.
Burada ilaç geliştirmeyi örnek olarak kullanıyoruz. Hepimizin bildiği gibi, ilaç araştırma ve geliştirme zaman alıcı, yoğun emek gerektiren ve maliyetli bir süreçtir ve vazgeçilmez bağlantılardan biri hayvan deneyleridir ve genellikle hayvan deneyleri için kullandığımız en yaygın hayvan faredir.
Bununla birlikte, insan ve hayvan vücutları arasındaki büyük farklılıklar nedeniyle, hayvan deneyleri, insan vücudunun ilaçlara verdiği tepkiyi doğru ve etkili bir şekilde yansıtamaz. Belirli bir ilaç hayvan deneyini geçse bile, insan deneyini geçemeyebilir ve bu da nihayetinde gerçekten üretime başlanamamasına yol açar. Listeleme ayrıca ciddi maliyet israfına neden olacaktır.
Bu nedenle bilim adamları klinik öncesi ilaç testi için daha hızlı ve etkili bir yöntem bulmaya çalışıyorlar ve hayvan deneylerini organ çipleriyle değiştirmeyi düşünüyorlardı. Organ çipleri sadece insan vücudunun durumunu daha doğru bir şekilde yansıtmakla kalmaz, aynı zamanda ilaç araştırma ve geliştirme maliyetlerinden de tasarruf eder, test süresini kısaltır ve riski azaltır. Ek olarak, hayvanların korunmasına ilişkin birçok etik sorunu da önleyebilir.
İşte herkes için bazı organ çipleri.
-
"Akciğer Çipi"
(Resim kaynağı: Wikipedia)
-
"Kalp Çipi"
(Resim kaynağı: Wikipedia)
-
"Nefron Çip"
(Resim kaynağı: Wikipedia)
-
"Arteriyel Çip"
(Resim kaynağı: Wikipedia)
-
"İnsan vücudu çipi", tüm vücudu taklit eden bir biyomimetik cihaz elde etmek için aynı anda farklı insan organlarını taklit eder.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Ayrıca yazarın bir önceki makalesinde de "çipteki organlar" tanıtıldı.
-
"Çip Üzerindeki Organ Modeli: Progeria ve Vasküler Hastalıkları incelemeye yardımcı olur! Bu makale, vasküler hastalıkları ve yaşlanmayı daha iyi anlamak için vasküler dinamikleri özetleyen bir yöntem geliştirmek için bu yeni "çip modelinde progeria" türünü kullanan Birleşik Devletler'deki Brigham ve Kadın Hastanesi'nden araştırmacıları tanıttı .
Bir çip üzerindeki organ platformu, kan damarlarının karmaşık mikro ortamını anlamak için küçük akışkan cihazları kullanmayı amaçlamaktadır.
(Resim kaynağı: Joao Ribas, Brigham ve Kadın Hastanesi)
-
"3 Boyutlu" Cips Üzerindeki Organlar ": İnsan Sağlığını Etkili Şekilde Artırma Araştırması" makalesi, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Harvard Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından tasarlanan ve aynı zamanda entegre olan ilk "çip üzerindeki kalp" i tanıttı. Algılama işlevi.
"Heart on a chip", vücut dokularının kasılma kuvvetini yerleşik sensörler aracılığıyla ölçen ve bilim adamlarının kalp kası dokusunu incelemeleri için yeni bir yol açan bir tür tamamen 3D baskı teknolojisidir.
(Resim kaynağı: Hastalık Biyofizik Araştırma Grubu Johan Lind / Lewis Lab, Lori K. Sanders / Harvard Üniversitesi)
Yenilikçilik
Organ çipleri hakkında çok fazla arka plan bilgisini anladıktan sonra, aşağıdaki yenilikçi araştırma sonuçlarının tanıtımı herkesin anlaması için daha kolay olacaktır.
Organ çipinde, insan hücrelerinin akciğerleri ve bağırsakları taklit etmek gibi tamamen farklılaşmış ve işlevselleştirilmiş dokulara dönüşmesi genellikle birkaç hafta sürer. Bu nedenle araştırmacılar, ilaçların, toksinlerin ve rahatsızlıkların dokuların yapısını ve işlevini nasıl değiştirdiğini anlamaya çalışıyorlar.
Amerika Birleşik Devletleri Harvard Üniversitesi Biyolojik İlham Alan Wyss Enstitüsü'nden Profesör Donald Ingber liderliğindeki araştırma ekibi, bu mikroakışkan cihazlardaki hücreleri uzun süre izleyebilen invazif olmayan çözümleri keşfetmeye kararlıdır. Sağlık ve olgunluk.
Beyin sinir hücreleri veya kalp hücreleri gibi organ çipindeki hücreler genellikle elektriksel olarak aktiftir. Bu organ çiplerinde, ilaçlara farklılaşma veya tepki verme sürecinde hücrelerin elektriksel işlevlerindeki değişiklikleri ölçmek çok zor hale gelir.
Şimdi, Profesör Ingber liderliğindeki ekip ve Profesör Kit Parker liderliğindeki ekip, bu sorunları çözmek için yeni çözümler geliştirmek için birlikte çalıştı. Organ çipine gömülü elektrotlar yerleştirdiler, böylece "transmembran direnci" (TEER) doğru ve sürekli olarak izlenebildi.
Aşağıdaki resim TEER-MEA (bu isim için size daha sonra tanıtacağım) olarak da adlandırılan bu organ çipini göstermektedir. TEER elektrot altından, MEA toplayıcı ise gri platinden yapılmıştır. MEA elektrodunun üzerinde iki şeffaf, paralel, akan mikroakışkan kanal bulunur.
(Resim kaynağı: Wyss Institute, Harvard Üniversitesi)
TEER ölçümü için organ çipi üzerinde bulunan tasarım makalesi, "Lab on a Chip" dergisinde yayınlanmıştır.Dokuların sağlığını ve farklılaşmasını izlemek ve canlı hücrelerin elektriksel aktivitesini gerçek zamanlı olarak değerlendirmek için yaygın olarak kullanılabilir. Bu bağlamda, araştırmacılar kalp çipi modelinde gösterdiler.
teknoloji
-
TEER
TEER ölçümü, elektrotlar arasındaki iyon akışını ölçmek için ve özel organların epitel hücreleri ve endotel hücrelerinden oluşan doku arayüzleri aracılığıyla kullanılabilir.Aynı zamanda birden fazla enstitüdeki insan organ çiplerinin temel bir bileşenidir.
Bu epitel hücrelerinin oluşturduğu doku tabakası cildimizin iç yüzeyini ve çoğu iç organı kaplarken, endotel hücreleri, kan damarlarının işlevini destekleyen kan damarlarının ve kılcal damarların iç duvarlarını oluşturur. Tüm bu hücre katmanları, küçük moleküllere ve iyonlara karşı bir bariyer görevi görebilir, organları koruyabilir ve bağırsaklarda veya böbreklerde idrar salgılamak için besinlerin emilimini teşvik etme gibi bazı özel işlevlere sahip olabilir. Tersine, ilaç toksisitesi, enfeksiyon, iltihaplanma ve diğer zararlı uyaranlar bu engelleri kırabilir.
İyon kanallarının kısıtlanmasına veya direncine dayanan TEER ölçümü, bu hücre katmanlarının bütünlüğünü ve ilaçların veya diğer zehirlerin neden olduğu hasar tepkisini değerlendirebilir.
Wyss Enstitüsü'nün baş mühendisi ve yeni organ çipi tasarımının sürücüsü Dr.Olivier Henry şu yorumu yaptı:
"Mikroakışkan bir ortam tasarlamak için yeni bir katmanlı üretim süreci kullanıyoruz. Bu ortamda, TEER ölçüm elektrodu tüm çip çerçevesinin bir parçasıdır ve konumu, bir veya iki paralel akış kanalında büyümeye mümkün olduğunca yakın. Önceki elektrot tasarımıyla karşılaştırıldığında, bu sabit geometri, doğru ölçüm için elverişlidir ve bu ölçümler, deneyler içinde ve arasında tamamen karşılaştırılabilir.Ayrıca, bize akciğerler veya bağırsaklar gibi tam olarak da söyleyebilir. Kuruluşunuz kanalda nasıl olgunlaşıyor, şeklini koruyor ve ilaçların veya diğer operasyonların etkisi altında nasıl sorunlar yaşıyor? "
-
MEA
"Lab on a Chip" dergisinde yayınlanan başka bir makalede, Ingber ve Henry'nin ekibi, Kit Parker ile işbirliği yaparak, çipteki çoklu elektrot dizilerini (MEA'lar) entegre ederek elektriksel aktiviteyi ölçmek için disiplinler arası bir bilimsel araştırma ekibi oluşturdu. Kalp kası hücreleri gibi hücrelerin davranışı, TEER çipinin performansını daha da artırır.
-
yonga
Araştırmacılar, atan vaskülarize bir kalp çipini başarıyla oluşturmak için TEER-MEA çipini kullandılar. İçinde, insan kardiyomiyositleri tek bir mikroakışkan kanalda kültürlenir. Bu mikroakışkan kanal, ikinci paralel endotelyal hücre vasküler kanalından yarı geçirgen bir zar ile ayrılır.
Aşağıdaki şekil, TEER-MEA çipinin alt elektrodunun taramalı elektron mikroskobu görüntüsüdür.
(Resim kaynağı: Wyss Institute, Harvard Üniversitesi)
-
Ölçek
Çipin yeni işlevlerini test etmek için ekip, endotel bariyerini yok etmek veya doğrudan kardiyomiyositler üzerinde etki etmek için bir kardiyak uyarıcı kullanmak üzere özel olarak tasarlanmış vaskülarize kalp çipine bilinen bir enflamatuar uyarıcı uyguladı.
İkinci araştırma makalesinin ilk yazarlarından Dr. Ben Maoz şunları söyledi:
"Bu yeni çip, gerçek zamanlı olarak elektrofizyolojik ölçümler yapmamıza, kalpteki endotel bariyerinin bütünlüğünü TEER ölçümleriyle değerlendirmemize ve eş zamanlı olarak MEA yoluyla kalp hücrelerinin atma frekansını ölçmemize olanak tanıyor. Bu, iki hücre popülasyonunu yakından ilişkilendirmemize olanak tanıyor. , İlaçların kalp işlevini nasıl etkilediğini ortaya çıkarıyor. "
değer
Bu araştırmanın değeri için önce araştırmacıların nasıl yorum yaptıklarına bakalım.
Ingber diyor:
"Elektriksel olarak aktif olan bu organ çipleri, insan vücuduna girmek ve hatta çipten hücre taşımak zorunda kalmadan insan organlarındaki hücrelerin ve dokuların işlevlerini daha iyi anlamak için bir pencere açmamıza yardımcı oldu. Şimdi başlayabiliriz Enfeksiyon, radyasyon, ilaç maruziyeti ve hatta yetersiz beslenme gibi farklı doku engellerinin gerçek zamanlı hasarını ve bunların yeni rejeneratif tedavilerle ne zaman iyileştirildiğini inceleyin. "
Kit Parker şunları söyledi:
"Organ çiplerinin geleceği enstrümantasyonlu çiplerdir: Kavram, veri toplama sırasında hiçbir deneyci olmayacağıdır. Uzun vadeli deneylerde ilaçların etkinliğini ve güvenliğini ölçmek için organlardan sürekli veri toplama sürecini taklit etmemiz gerekiyor. Bu teknoloji bize benzeri görülmemiş bir ayrıntı düzeyi sağlıyor. "
Araştırmacılara göre özetleyelim:
Organ çipi, insan organlarının ve dokularının fizyolojik işlevlerini incelemek için güçlü bir araç ve araç sağlayan, gelişmekte olan bir ileri teknolojidir. Normal kan akışını, mekanik mikro ortamı ve canlı organlardaki farklı dokular arasındaki etkileşimi taklit edebilir.İn vitro test yöntemleriyle karşılaştırıldığında, daha sistematik bir ilaç testi yöntemi sağlar ve sonunda hayvan deneylerinin yerini alacaktır.
Referans
[1] https://wyss.harvard.edu/wyss-institutes-organ-chips-get-smart-and-go-electric/
2 Ben M. Maoz, Anna Herland, Olivier Y. F. Henry, William D. Leineweber, Moran Yadid, John Doyle, Robert Mannix, Ville J. Kujala, Edward A. FitzGerald, Kevin Kit Parker, Donald E. Ingber. Kombine çoklu elektrot dizisi ve transepitelyal elektrik direnci ölçüm özelliklerine sahip Organlar-on-Chips Lab Chip, 2017; DOI: 10.1039 / C7LC00412E
3 Olivier Y. F. Henry, Remi Villenave, Michael J. Cronce, William D. Leineweber, Maximilian A. Benz, Donald E. Ingber. İnsan epitelyal bariyer işlevinin trans-epitel elektrik direnci (TEER) ölçümleri için entegre elektrotlara sahip organlar üzerinde çipler Lab Chip, 2017; DOI: 10.1039 / C7LC00155J
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Organ-on-a-chip
Değişimi daha fazla tartışması gereken arkadaşlar, lütfen yazarla doğrudan WeChat: JohnZh1984 üzerinden iletişime geçin veya WeChat genel hesabını izleyin: IntelligentThings.
