Organ-on-chip (OOC)设备先进的细胞培养与微工程学相结合创造尖端生物技术承诺变革从药物开发领域的化学风险评估。
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Organ-on-Chip设备是什么?
organ-on-chip (OOC)装置是一种微尺度仿生系统,复制生活复杂的结构和关键功能的器官。他们这样做的时候通过控制流体的运动通过微型通道,膜,钱伯斯内衬人类细胞。
他们的设计根据不同器官的问题但可以大致分为单,双,多通道芯片。最常见的是双通道设计,已用于研究器官如肺、肠、血脑屏障。进一步设计考虑,如室形状、通道直径和膜性质,相应地也瀑特异性和选择。
通道内的流体流动速度是另一个瀑特异性参数,必须精确地控制设置所需的流体剪切应力,营养和氧浓度梯度,极性,以及其他系统中的重要参数。
这通常是通过压力控制流与注射器泵,但其他方法如蠕动,electro-osmotic或毛细泵也使用。复杂的多通道设备也需要使用microvalves控制流体运动。这些可能是被动的,如虹吸或疏水威尔士人,或活动,如气动或静电阀门。
大小的设备是类似一个USB记忆棒与微尺度特性通常通过制备方法如软光刻技术,热压花,甚至3 d打印。欧洲杯足球竞彩材料,使这些设备必须是光学透明(允许研究人员查看系统),生物相容性(以免不当影响系统)和成本效益。
因此,硅弹性体聚二甲基硅氧烷(PDMS)是常用的设备,灵活性是必需的,和玻璃设备,它不是。热塑性塑料也获得了最近关注由于其化学稳定性和高效的生产方法的适用性等注塑和激光切割。
历史
的起源在体外研究可以追溯到20世纪早期,当简单的种半控制状态的二维培养技术之中给基本的洞察细胞生长和分化。从那时起,技术已经发展到提供生理和力学条件的经验在活的有机体内条件),增加准确性。
这导致了3 d文化模型,如球体、瀑样,和打印的组织,它可以适应自然的形状变化,和连接之前禁止的刚性衬底2 d文化。
OOC设备未来发展3 d文化形式模型,提供增强的动态功能比传统的3 d文化由于他们使用微尺度流体流动,称为微流体。尽管研究20多年,设备仍在起步阶段与第一个成功的芯片只有哈佛的韦斯研究所于2010年创建的。
自那以后技术发展迅速,设备现在能够成功地模仿各种器官与难以置信的准确性。
应用程序
记录设备的主要应用之一是在评估前药物进入临床试验的安全性。当前的在体外临床前测试方法依赖于2 d和文化简单的3 d模型,通常给误导的结果由于复制他们的错误在活的有机体内生理条件。
相同的错误可以表示动物测试。这导致一个臭名昭著的缓慢而昂贵的药物发现和开发过程——药物临床试验的批准率约12%,与每个化合物10年和30亿美元给市场带来(武泰et al ., 2020)。
记录设备已经显示了他们的这一发现与发展优势的目的。例如,Kostrzewski et al .,(2019)开发了一种liver-on-chip设备启用不可预见的见解背后的潜在机制在发达国家最常见的慢性肝病,非酒精脂肪肝(NAFLD)。这些见解不使用传统的和固有的静态三维培养模型,并预计将导致第一个成功的药理治疗选项普遍的疾病。
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其他记录应用程序包括对早产儿肺援助设备在呼吸衰竭,高度个性化的医学的发展,和传染病的建模包括COVID-19。
挑战
之前许多至关重要的壁垒存在的广泛接受记录设备,特别是关于他们的标准化和验证。这不仅是因为设备组成复杂和跨学科的新兴技术,目前标准化极具挑战性,可以说是适得其反,还动物模型和临床效果都不能被视为明确的标准来测量设备的有效性。这使验证过程的适用性问题,与一些更集中支持资格过程的步骤。
广泛的技术挑战的形式进一步阻碍设备验收。这包括unselective疏水性药物的吸收,特别是对于PDMS-based OOC设备。这个限制是由于材料的倾向与油混合相(称为亲油性)限制可能的药物输送装置和方法可以大大阻碍其分析结果的解释(Tajeddin Mustafaoglu, 2021)。
其他技术挑战包括集成的传感器,使实时系统监控和自动化、设备制造技术的有限的可伸缩性,有效隔离的质量主要细胞用于组织内部采购设备,和控制表面的有害后果影响微尺度流体流动。
未来的发展
内的潜在趋势技术,也可以说是它的终极目标,是在单个芯片上集成越来越多的器官最终创建一个完整的“body-on-chip”。这种装置将包括多个适当的扩展和功能连接的器官给测试环境前所未有的完整性和准确性。
反过来,这种“复用”趋势无疑将提出新的要求和挑战,要求各种各样的进一步研究和发展。这样的一个紧急发展是公司干细胞作为组织来源的设备。
这些自我更新的细胞,可以分化成一个或多个专门的细胞类型比其他细胞系和生理上代表预计将成为未来的主要组织来源记录设备(吴et al ., 2020)。其他的例子包括使用功能水凝胶,血管浸润OOC设备的发展,和自动化闭环系统控制的实现(Tajeddin Mustafaoglu, 2021;Aazmi et al ., 2021)。
引用和进一步阅读
Aazmi,。周,H。李,Y。Yu, M。徐,X。吴,Y。,妈,L。杨、张、b和H。,2021年。Organ-on-a-Chip系统改造的脉管系统。工程。https://www.欧洲杯线上买球sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809921003337
因格贝尔,D。,2022年。人类Organs-on-Chips。(在线)Wyss研究所。可以在:<https://wyss.harvard.edu/technology/human-organs-on-chips/: ~:文本= 4% 2 f7 % 20 % 20器官% 2堂,% 20模仿% 20器官% 2 dlevel % 20生理机能>
Kostrzewski, T。Maraver, P。,Ouro Gnao, L。利,。雪,S。Miedzik,。Rombouts k和休斯,D。,2019年。Microphysiological系统研究非酒精性脂肪肝炎。肝脏病学通信4(1),台北,91年。https://aasldpubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/hep4.1450
彭,J。Rochow, N。Dabaghi, M。Bozanovic, R。詹森,J。Predescu D。,DeFrance B。李,S。Fusch, G。拉维•Selvaganapathy p和Fusch, C。,2018年。产后脐带血管的扩张及其影响壁完整性:人工胎盘的先决条件。人造器官的国际期刊41 (7)pp.393 - 399。https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29562805/
Tajeddin, a .和Mustafaoglu N。,2021年。设计和制造Organ-on-Chips:承诺和挑战。机器12 (12),p.1443。https://www.mdpi.com/2072 - 666 x/12/12/1443
Van den Berg,。哑剧演员的表演,C。帕西,r和范德梅尔先生。,2019年。个性化organs-on-chips:精密医学功能测试。芯片上的实验室19 (2)pp.198 - 205。https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/lc/c8lc00827b
王,Y。、王、p和秦,J。,2021年。微流控Organs-on-a-Chip人类传染病的建模。的化学研究54 (18),pp.3550 - 3562。https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34459199/
武泰,O。、麦基、m和Luyten, J。,2020年。估计研发投资需要给市场带来新的医学,2009 - 2018。《美国医学会杂志》p.844, 323 (9)。https://jamanetwork.com/journals/jama/fullarticle/2762311
吴,Q。刘,J。王,X。冯,L。吴,J。、朱、X。、温、w和锣,X。,2020年。Organ-on-a-chip:最近突破和未来前景。生物医学工程在线19 (1)。https://biomedical -工程- online.biomedcentral.com/article欧洲杯猜球平台s/10.1186/s12938 - 020 - 0752 - 0
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