التشكل ثلاثي الأبعاد في أمعاء على رقاقة باستخدام عضويات معوية مشتقة من مرضى التهاب الأمعاء
فبراير 9, 2024
يوفر دمج العضويات المعوية للكلاب ونظام الموائع الدقيقة Gut-on-a-Chip نماذج متعدية ذات صلة بأمراض الأمعاء البشرية. تسمح البروتوكولات المقدمة بتكوين 3D والنمذجة الديناميكية في المختبر للأمعاء ، مما يساعد في تطوير علاجات فعالة للأمراض المعوية في والبشر مع One Health.
هدفنا البحثي هو إنشاء طريقة لزراعة هياكل 3D باستخدام الخلايا المعوية من المشابهة للبشر ، وخاصة. تمت دراسة التشكل الخلوي المعوي إلى حد كبير من خلال نماذج المختبر ، وهي مكلفة وتستغرق وقتا طويلا ولا تمثل بدقة عمليات النمو البشري. علاوة على ذلك ، تفتقر نماذج زراعة الخلايا 2D الثابتة التقليدية إلى القدرة على تقليد التنظيم المكاني المعقد لبنية 3D abSeries.
شكل تحقيق ارتباط الخلايا الفردية المشتقة من الكائنات العضوية المعوية على سطح PDMS المطلي ب ECM تحديا كبيرا. خطوة محورية في مواجهة هذا التحدي في ضمان طلاء ECM موحد من خلال تنشيط السطح والسماح له بالجفاف طوال الليل. يوفر دمج تقنية العضوية المشتقة من المريض مع التشكل 3D في المختبر وسيلة واعدة لإجراء البحوث الانتقالية في الأمراض المزمنة متعددة العوامل ، بما يتماشى مع مبادرة الصحة الواحدة.
يقدم بروتوكول مرض التهاب الأمعاء للكلاب ، الذي تم الحصول عليه على شريحة ، نموذجا قابلا للتكرار للطب المقارن ، مما يتيح إجراء دراسات حول التشكل المعوي ، والتفاعلات بين الميكروبيوم المضيف ، والالتهابات ، وفحوصات الأدوية والبروبيوتيك ، وله قابلية للتطبيق عبر الأنواع.
نظرة عامة
تركز هذه الدراسة على دمج العضوانيات المعوية للكلاب مع نظام ميكروفلويديك "الأمعاء على شريحة" (Gut-on-a-Chip)، مما يوفر نموذجاً ملائماً للأمراض المعوية البشرية. وتسهل البروتوكولات التي تم تطويرها عملية التخلق المورفولوجي ثلاثي الأبعاد والنمذجة الديناميكية للأمعاء في المختبر، مما يساهم في تطوير علاجات للأمراض المعوية لدى الكلاب والبشر على حد سواء.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الطب المقارن
- الموائع الدقيقة
خلفية علمية
- يعد التشكيل الخلوي المعوي أمراً بالغ الأهمية لفهم صحة الأمعاء.
- غالباً ما تفشل النماذج التقليدية في تمثيل العمليات البشرية بدقة.
- توفر النماذج الكلبية تقريباً أقرب للأمراض المعوية البشرية.
- تؤكد مبادرة الصحة الواحدة (One Health Initiative) على الترابط بين صحة الإنسان وصحة الحيوان.
الغرض من الدراسة
- تطوير نموذج قابل للتكرار لدراسة التخلق الشكلي للأمعاء.
- استكشاف التفاعلات بين المضيف والميكروبيوم وآثارها على الصحة.
- تسهيل عمليات فحص الأدوية والمعززات الحيوية في سياق مقارن.
الطرق المستخدمة
- تحضير جهاز "الأمعاء على شريحة" (Gut-on-a-Chip) مع طلاء المصفوفة خارج الخلوية (ECM).
- استزراع العضوانيات المعوية الكلبية في النظام الموائع الدقيقية.
- تطبيق تدفق مستمر وإجهاد دوري لمحاكاة الظروف الفسيولوجية.
- التلوين المناعي الفلوري لتقييم البنية ثلاثية الأبعاد ووظيفة الحاجز.
النتائج الرئيسية
- التأسيس الناجح لتخلق شكلي ثلاثي الأبعاد في النظام الموائع دقيقة القنوات.
- ملاحظة هياكل شبيهة بالزغابات وحواجز معوية وظيفية.
- إثبات القدرة على إجراء دراسات مقارنة في الأمراض المعوية.
- التحقق من صحة النموذج لاستخدامه في الأبحاث الانتقالية المستقبلية.
الاستنتاجات
- يعد نموذج "الأمعاء على شريحة" (Gut-on-a-Chip) أداة واعدة لدراسة صحة الأمعاء.
- يعزز دمج العضوانيات الكلبيّة من دقة وموثوقية النتائج.
- يتماشى هذا النهج مع منظور "الصحة الواحدة" (One Health)، مما يعود بالنفع على صحة الإنسان والحيوان على حد سواء.
الأسئلة الشائعة
الأهمية التنفيذية في القطاع الصناعي
يتيح دمج العضوانيات المعوية لكلبية مع أنظمة "الأمعاء على شريحة" (Gut-on-a-Chip) ذات التدفق الموائع الدقيق إنشاء نماذج ديناميكية في المختبر ذات صلة فسيولوجية لأبحاث أمراض الأمعاء. ويعالج هذا النهج قيود النماذج الحيوانية والنماذج الساكنة التقليدية من خلال توفير منصة للدراسات الترجمية التنبؤية في السياقين البيطري والبشري. وتدعم النماذج الناتجة الرؤى المتقاطعة بين الأنواع، مما يعزز التحقق من الأهداف ويقلل المخاطر في مراحل الاكتشاف المبكرة للعلاجات المعوية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير للصناعات الدوائية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- يُمكِّن من استقصاء المسارات ذات الصلة بالمرض باستخدام خلايا أولية من حالات داء الأمعاء الالتهابي (IBD) الكلبي التلقائي.
- يدعم التحقق الوظيفي من الأهداف من خلال محاكاة التخلق العضوي المعوي ثلاثي الأبعاد ووظيفة الحاجز المعوي.
- يسهل الحد من المخاطر الميكانيكية من خلال الملاحظة المباشرة للتفاعلات بين المضيف والميكروبيوم والتفاعلات الظهارية.
الفحص وتطوير المقايسة
- يوفر منصة قياسية وقابلة للتكرار لفحص الأدوية والبروبيوتيك في بيئة معوية ديناميكية.
- يقدم مخرجات كمية مثل قياسات TEER لتقييم سلامة الحاجز المعوي.
- يجهز أنظمة بيولوجية موثقة لتقييم المركبات القابلة للتوسع والمقارنة بين الأنواع.
الأبحاث الترجمية وما قبل السريرية
- يتماشى مع استراتيجيات المؤشرات الحيوية الانتقالية من خلال نمذجة المرض العفوي ضمن إطار "صحة واحدة" (One Health).
- يتيح الاستمرارية بدءاً من مرحلة الاكتشاف وصولاً إلى التحقق قبل السريري باستخدام نماذج كلبية ذات صلة فسيولوجياً.
- يدعم قرارات التطوير المعدلة وفقاً للمخاطر من خلال الربط بين أبحاث أمراض الأمعاء لدى البيطريات والبشر.
تكامل مسار العمل وسير العمل
يضع بروتوكول "الأمعاء على شريحة" (Gut-on-a-Chip) نفسه عند نقطة التقاء الاكتشاف المبكر، وتحديد المركبات الرائدة، والأبحاث قبل السريرية لبرامج أمراض الأمعاء.
- بيولوجيا الاكتشاف: تعزيز اختبار الفرضيات وتوضيح المسارات في الأنظمة ذات الصلة بالأمراض.
- الفحص: إرساء جاهزية المقايسة وقابلية تكرارها في المقايسات الوظيفية ومقايسات الحاجز.
- التحليلات: تمكين القراءات الكمية مثل TEER والتحليل الهيكلي المناعي الفلوري.
- الأبحاث الانتقالية: توفير منصة عابرة للأنواع لمواءمة المؤشرات الحيوية والدراسات المقارنة.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: تقديم نظام مائعيات دقيقة قابل لإعادة الاستخدام ومتكيف مع نماذج أمراض معوية مختلفة.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية وتقلل من الغموض الآلي في نمذجة أمراض الأمعاء.
- القيمة التشغيلية: توفر سير عمل موحد وقابل للتوسع والتكرار للمقاييس القائمة على العضوانيات.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن عملية اتخاذ قرارات المتابعة أو التوقف وكفاءة رأس المال من خلال تمكين الحد من المخاطر في مراحل مبكرة.
- التأثير على المحفظة: تدعم تحديد الأولويات المعدلة حسب المخاطر والتقدم عبر الأنواع للعلاجات المعوية.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في استزراع العضوانيات، والموائع الدقيقة، والتعامل مع الأنسجة الكلابية.
- يتطلب الوصول إلى طلاءات المصفوفة خارج الخلوية (ECM)، وأجهزة الموائع الدقيقة، وبنية تحتية لقياس المقاومة الكهربائية عبر الظهارة (TEER).
- يستلزم توحيد المعايير بين الفرق لضمان تكرار عملية طلاء المصفوفة خارج الخلوية وبذر الخلايا.
- قد يتطلب التكييف مع أنواع أخرى أو نماذج مرضية تحسين البروتوكول.
- تشمل القيود تحديات تقنية في تحقيق التصاق منتظم للخلايا والحفاظ على التشكل المورفولوجي ثلاثي الأبعاد.
