מודל Alveolus-on-Chip חיסוני לחקר תגובות חיסוניות של נאדיות
31 במאי 2024
מודלים של ריאות על שבב עולים על תרביות דו-ממדיות מסורתיות על ידי חיקוי ממשק אוויר-נוזל וזילוח תאי אנדותל, המדמים זרימת דם וחילופי חומרים מזינים החיוניים למחקרים בפיזיולוגיה של הריאות. זה משפר את הרלוונטיות של מחקר הריאות, ומציע סביבה דינמית ומדויקת פיזיולוגית לקידום ההבנה והטיפול בזיהומים בדרכי הנשימה.
אנו מפתחים מודלים פיזיולוגיים רלוונטיים במבחנה כדי לענות על שאלות מכניסטיות בזיהומים אנושיים. אנו מתמקדים בתגובה החיסונית של המאכסן. כאשר אנו משתמשים במודל זה כדי לנתח את האינטראקציה המורכבת של הפתוגן עם המארח כדי לזהות מטרות מולקולריות ותאיות עבור אפשרויות טיפוליות בזיהומים אנושיים.
עבודה על מודל שבב כמו מודל ריאות על שבב, מאוזן על ידי מורכבות לוגית עם צרכי מחקר ספציפיים, ומציע תובנות לגבי ויסות התגובה בין אדם למארח. מערכת זו מחקה את הרכב התאים in vivo ואת המבנה התלת-ממדי, ומספקת תנאים מוגדרים יותר ותפוקות גבוהות יותר מאשר הניסויים בבעלי חיים. בטכנולוגיית ריאות על שבב, אחד האתגרים העיקריים הוא בחירת סוגי התאים הנכונים המחקים את הפונקציונליות המורכבת של הריאה לתוצאות מחקר זיהום.
יתר על כן, הארכת מסגרת הזמן של הניסוי מעבר למודלים מסורתיים במבחנה היא חיונית. מינוף הוא היכולת הזולה לשמור על קיום התא עם זרימת חומרים מזינים רציפה לתצפית ארוכה יותר, הניסוי הוא גם הכרחי. פיתחנו את מודל הבסיס המיקרופלואידי של נאדיות אנושיות ככלי יעיל לחיקוי הסביבה הנאדית האנושית.
זה הושג על ידי הפעלת זילוח כדי לחקות את זרימת הדם, וגם על ידי גירוי מכני לתאי האנדותל. וכן שילוב ממשק אוויר-נוזל לתאי האפיתל על ידי חשיפתם לאוויר. השלב הבא הוא להרחיב את המודל הזה לפלטפורמה מתקדמת יותר, כגון מודל מבוסס תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים.
בכך אנו שואפים לקרב את הרפואה המותאמת אישית ליישום, במיוחד בהקשר של בדיקות תרופות אנטי-ויראליות, וככלי למחקר ביו-רפואי ופיתוח תרופות.
סקירה כללית
מחקר זה מציג את הפיתוח של מודלים של ריאה-על-שבב (lung-on-chip) המשחזרים את הממשק אוויר-נוזל ואת הפרפוזיה של תאי אנדותל, ובכך משפרים את ההבנה של זיהומים נשימתיים. מודלים אלו מספקים סביבה דינמית ומדויקת פיזיולוגית למחקר הריאה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- ביולוגיה
- מודלים in vitro
רקע
- לתרביות דו-ממדיות (2D) מסורתיות חסרה רלוונטיות פיזיולוגית.
- טכנולוגיית ריאה-על-שבב מחקה תנאים בתוך הגוף (in vivo).
- הבנת האינטראקציות בין מאח ומחולל מחלה היא קריטית לפיתוח טיפולים.
- האתגרים כוללים בחירה של סוגי תאים מתאימים לצורך תפקוד.
מטרת המחקר
- פיתוח מודלים in vitro המשקפים במדויק זיהומים בבני אדם.
- ניתוח האינטראקציות בין פתוגנים למאכסן האנושי.
- זיהוי מטרות מולקולריות ותאיות לטיפולים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- טכנולוגיית איבר-על-שבב
- בחירת סוגי תאים רלוונטיים
- ניסויים בתפוקה גבוהה
- מסגרות זמן ניסוייות מורחבות
תוצאות עיקריות
- מודלים של ריאה על שבב (Lung-on-chip) מספקים תובנות לגבי ויסות התגובה של המאכסן האנושי.
- מודלים אלו מאזנים בין מורכבות ביולוגית לבין צרכי מחקר ספציפיים.
- הם מציעים תנאים מוגדרים יותר בהשוואה למודלים מסורתיים in vitro.
- מסגרות זמן מורחבות מאפשרות סימולציה טובה יותר של מחקרי זיהום.
מסקנות
- מודלים של ריאה-על-שבב (Lung-on-chip) משפרים את הרלוונטיות של מחקרי ריאה.
- הם מסייעים להבנה טובה יותר של זיהומים בדרכי הנשימה.
- מודלים אלו חיוניים לקידום אפשרויות טיפוליות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מודל נאדית-על-שבב (alveolus-on-chip) בעל יכולת תגובה חיסונית מספק פלטפורמה רלוונטית פיזיולוגית, המופקת מבני אדם, לניתוח תגובות חיסוניות של רירית הריאה לזיהום. באמצעות שילוב של סוגי תאי נאדית מרכזיים וסימולציה של תנאים ביו-מכניים ותנאי פרפוזיה, מערכת זו מגבירה את רמת הוודאות החזויית בתיקוף מטרות בשלבים מוקדמים ובצמצום סיכונים מכניסטיים עבור גילוי תרופות למערכת הנשמימה. התאימות שלה לבדיקות חיסוניות סטנדרטיות ממצבת אותה כנכס רב-פעמי למחקרי זיהום וחסינות ברוחב הפורטפוליו.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה מכניסטית של אינטראקציות בין מאחס לפתוגן בהקשר אלבולרי רלוונטי לבני אדם.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של מטרות על ידי שחזור תקשורת בין תאי מערכת החיסון, תאי אפיתל ותאי אנדותל.
- מסייע בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות מידול תגובות רקמה מורכבות לזיהום.
- משפר את רמת הוודאות החזויית לבחינת היפותזות טיפוליות באינדיקציות נשימתיות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספקת פלטפורמה סטנדרטית וניתנת לשחזור עבור בדיקות כמותיות של מערכת החיסון וזיהומים.
- תומכת באימונופלורסצנציה, בפרופיל ציטוקינים ובניתוח CFU/plaque לקבלת תוצאות מהימנות.
- מאפשרת הכנה ניתנת להרחבה (scalable) של מודלים מאומתים של רקמת נאדיות (alveolar tissue) לצורך הערכת תרכובות.
- משפרת את המוכנות של הבדיקות לסריקת חומרים אנטי-זיהומיים או חומרים מווסתים את מערכת החיסון.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתואם עם ביולוגיה של ריאה אנושית הרלוונטית למחלה לצורך חקירת סמנים ביולוגיים תרגומיים.
- מגשר בין שלב הגילוי לאישור פרה-קליני באמצעות מידול של תגובות חיסוניות אנושיות לפתוגנים.
- תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון עבור תוכניות של זיהומים בדרכי הנשימה.
- מספק הפחתת סיכונים מכניסטית לצורך בחירת מועמדים בקווי ייצור פרה-קליניים.
שילוב תהליכים וזרימת עבודה
מודל זה משתלב ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני, ומאפשר בדיקת היפותזות, תיקוף מטרות ומחקר טרנסלציונלי עבור פורטפוליו של זיהומים בדרכי הנשימה.
- ביולוגיה של גילוי: מנתחת מטרות מולקולריות ותאיות באמצעות מידול של תגובות חיסוניות בנאולבולי האנושי.
- סריקה: מספקת תוצאות כמותיות הניתנות לשחזור עבור בדיקות חיסון וזיהום.
- אנליטיקה: תומכת בניתוח השוואתי של הפעלת מערכת החיסון, שלמות המחסום ועומס פתוגנים.
- מחקר תרגומי: מספקת רציפות למחקרי סמנים ביולוגיים ומנגנונים במערכות רלוונטיות לבני אדם.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כפלטפורמה רב-פעמית עבור יוזמות מחקר מגוונות בתחומי הזיהום והחיסון.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף המטרה.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של בדיקות זיהום ותגובה חיסונית לצורך הדירות ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת לגבי המשך או הפסקת הפיתוח (go/no-go) וניהול פורטפוליו יעיל מבחינת הון.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של נכסים בתחום הזיהומים הנשימתיים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהנדסת רקמות, מיקרופלואידיקה ובדיקות אימונולוגיות.
- נדרשת גישה למכשור ייעודי עבור פרפוזיה של השבב וסטימולציה ביו-מכנית.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית של מקור התאים ושל פרוטוקולי הבדיקה.
- התאמה לסוגי תאי ריאה אחרים או למודלים של מחלות עשויה לדרוש אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- מגבלות מעשיות כוללות אילוצי תפוקה (throughput) והצורך בתשתית אנליטית חסונה.
שאלות נפוצות בביו-פרמה
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:08
Preparation and Maintenance of Human Umbilical Vein Endothelial Cells in Biochips for Establishing an Air‐Liquid Interface
5:42
Advanced Biochip Perfusion and Air‐Liquid Interface Establishment of Human Umbilical Vein Endothelial Cells for Tissue Culture Analysis
