Легкое-на-чипе
Lung-on-a-chip (LoC), также известные как Lung Chips , представляют собой микро- и миллифлюидные устройства типа «орган-на-чипе», разработанные для воспроизведения структуры и функций человеческих легких, имитируя дыхательные движения и динамику жидкости, происходящую во время вдоха и выдоха. [1] LoC представляют собой наиболее многообещающую альтернативу для замены испытаний на животных .
Концепция
Ху и др. разработали первую микрофлюидную систему на основе полидиметилсилоксана (PDMS) для культивирования первично пораженных эпителиальных клеток мелких дыхательных путей на границе раздела воздух-жидкость (ALI). Несмотря на свою простоту, эта система успешно воспроизводила потрескивающие звуки, связанные с механическим повреждением в просвете дыхательных путей. [2]
Первая LoC, опубликованная в выпуске Science от 25 июня 2010 года , была разработана Дэном Ха и Дональдом Э. Ингбером в Институте Висса с использованием микротехнологии , называемой мягкой литографией , которая была впервые предложена Джорджем М. Уайтсайдсом . Типичная альвеолярная LoC состоит из двух микроканалов, в основном выстланных эпителиальными клетками на апикальной стороне и эндотелиальными клетками на базальной стороне. [3] Воздух подается в клетки, выстилающие легкие, культуральная среда течет в капиллярном канале, имитируя кровь, а циклическое механическое растяжение создается вакуумом, применяемым к камерам, смежным с каналами клеточной культуры, для имитации дыхания. Устройство изготовлено с использованием клеток легких и кровеносных сосудов человека , и оно может предсказывать абсорбцию наночастиц, находящихся в воздухе , и имитировать воспалительную реакцию, вызванную микробными патогенами . Его можно использовать для проверки эффектов токсинов окружающей среды, абсорбции аэрозольных терапевтических средств, а также безопасности и эффективности новых лекарств.
С момента введения LoC в 2010 году были достигнуты многочисленные успехи в разработке действительных, функциональных и клинически значимых моделей. [4]
Недостаток
Дыхательные движения в типичном LoC, таком как платформа Wyss, происходят в 2D, а не в физиологически значимом трехмерном (3D) формате. Большинство моделей органов на чипе , включая LoC, изготавливаются из PDMS, что имеет ряд ограничений. [5] Например, двухсекционный чип платформы, аналогичный чипу Wyss, по крайней мере в 10-15 раз толще своего аналога in vivo (коммерческий чип Wyss имеет толщину 50 мкм, согласно его техническому описанию). [6] Эта увеличенная толщина имеет большое значение, поскольку она препятствует перекрестным помехам между двумя сторонами мембран PDMS.
Основная проблема с PDMS заключается в его адсорбционных свойствах, которые приводят к нереалистичным ADME и, следовательно, к неточному анализу фармакокинетики . [5] [7] Другие ограничения PDMS включают биодеградацию , выщелачивание , расслоение клеток и поглощение молекул, все из которых влияют на точность и надежность клеточных анализов. [8]
Ссылки
- ^ Бай, Хайцин; Ингбер, Дональд Э. (сентябрь 2022 г.). «Чему может научить нас орган на чипе о патофизиологии легких человека?». Физиология . 37 (5): 242– 252. doi :10.1152/physiol.00012.2022. ISSN 1548-9213. PMC 9394778. PMID 35658627 .
- ^ Huh, Dongeun; Fujioka, Hideki; Tung, Yi-Chung; Futai, Nobuyuki; Paine, Robert; Grotberg, James B.; Takayama, Shuichi (2007-11-27). «Акустически обнаруживаемое повреждение легких на клеточном уровне, вызванное механическими напряжениями жидкости в микрофлюидных системах дыхательных путей». Труды Национальной академии наук . 104 (48): 18886– 18891. doi :10.1073/pnas.0610868104. ISSN 0027-8424. PMC 2141877. PMID 18006663 .
- ^ Ха, Донын; Мэтьюз, Бенджамин Д.; Маммото, Акико; Монтойя-Завала, Мартин; Синь, Хун Юань; Ингбер, Дональд Э. (25 июня 2010 г.). «Восстановление функций легких на уровне органов на чипе». Наука . 328 (5986): 1662–1668 . doi :10.1126/science.1188302. ISSN 0036-8075. ПМЦ 8335790 . ПМИД 20576885.
- ^ Дориаб, Али; Гролл, Юрген (2023). «Биомиметические модели легких in vitro: текущие проблемы и перспективы на будущее». Advanced Materials . 35 (13): 2210519. doi : 10.1002/adma.202210519 . ISSN 1521-4095.
- ^ ab Кэмпбелл, Скотт Б.; Ву, Цинхуа; Язбек, Джошуа; Лю, Чуань; Оховатян, Саргол; Радисич, Милица (2021-07-12). «За пределами полидиметилсилоксана: альтернативные материалы для изготовления устройств «орган-на-чипе» и микрофизиологических систем». ACS Biomaterials Science & Engineering . 7 (7): 2880– 2899. doi :10.1021/acsbiomaterials.0c00640. ISSN 2373-9878.
- ^ "Базовый исследовательский комплект Chip-R1TM, эмуляция" (PDF) .
- ^ Toepke, Michael W.; Beebe, David J. (2006). «Поглощение малых молекул PDMS и последствия в микрофлюидных приложениях». Lab on a Chip . 6 (12): 1484. doi :10.1039/b612140c. ISSN 1473-0197.
- ^ Дориаб, Али; Брейг, Йоханнес; Юнгст, Томаш; Райма, Маттиас; Гролл, Юрген (2024). «Стратегии изготовления биоинспирированных и функциональных легких на чипах». Advanced Functional Materials . 34 (46): 2407725. doi :10.1002/adfm.202407725. ISSN 1616-3028.
