Mikrophysiologische Systeme zur Rekapitulation der Darm-Nieren-Achse

Laura Giordano,^1,3Silvia Maria Mihaila,^1,3Hossein Eslami Amirabadi,^1,2und Rosalinde Masereeuw

ChronischNiere(CKD) tritt typischerweise zusammen mit anderen Komorbiditäten auf, was die zugrunde liegende komplexe Pathophysiologie hervorhebt, von der angenommen wird, dass sie stark durch den bidirektionalen Darm moduliert wird.NiereÜbersprechen. Durch die Kombination von Fortschritten in den Bereichen Gewebezüchtung, Herstellung, Mikrofluidik und Biosensoren haben sich mikrophysiologische Systeme (MPSs) als vielversprechende Ansätze zur Emulation der In-vitro-Verbindung mehrerer Organe herauskristallisiert und gleichzeitig die Grenzen von Tiermodellen angegangen. Die Nachahmung der (patho)physiologischen Zustände der Darm-Nieren-Achse in vitro erfordert ein MPS, das nicht nur dieses direkte bidirektionale Übersprechen, sondern auch die Beiträge anderer physiologischer Teilnehmer wie der Leber und des Immunsystems simulieren kann. Wir diskutieren aktuelle Entwicklungen auf diesem Gebiet, die möglicherweise zu einer In-vitro-Modellierung der Darm-Nieren-Achse bei CKD führen könnten.

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Chronische Nierenerkrankung: Eine Stoffwechselstörung mit gestörter Signalübertragung zwischen Organen und Organen

ChronischNiereKrankheit (CKD) ist am weitesten verbreitetNiereKrankheit und ist gekennzeichnet durch den allmählichen Verlust der Organfunktion im Laufe der Zeit, was die Fähigkeit beeinträchtigt, Stoffwechselabfallprodukte aus dem Blut zu filtern (Kasten 1). Die Nieren haben viele hochspezialisierte Funktionen, wie z. B. Blutfiltration und aktive Sekretion zur Entfernung von Stoffwechselabfällen, Reabsorption essentieller Nährstoffe, Aufrechterhaltung des Blutvolumens und der Elektrolythomöostase sowie metabolische und endokrine Aktivität [1].

Es wird angenommen, dass die komplexe und rätselhafte Pathophysiologie von CKD durch moduliert wirdNiereÜbersprechen mit mehreren Organen und Systemen, insbesondere über die bidirektionale Kommunikation zwischen den Organen mit dem Gastrointestinaltrakt, die als Darm-Nieren-Achse bezeichnet wird [2]. Der menschliche Darm beherbergt eine komplexe Gemeinschaft von Mikroben, die in einer kommensalen Beziehung mit ihrem Wirt leben [3] und signifikante und einzigartige Beiträge zum menschlichen Metabolom leisten (siehe Glossar). Bei der Symbiose sorgt die Darmabsorption für die Aufnahme nützlicher mikrobieller Stoffwechselprodukte, während die Nieren die Homöostase aufrechterhalten, indem sie potenziell toxische Stoffwechselendprodukte ausscheiden. Umgekehrt führt Nierenversagen zur Akkumulation von Metaboliten aus Darmmikrobiota (dh urämische Toxine), was zur Entwicklung des urämischen Syndroms führt. Diese Komplikation trägt zur Darmdysbiose bei, die die entzündlichen, endokrinen und neurologischen Bahnen, die am Beginn und Fortschreiten der CKD beteiligt sind, nachteilig beeinflusst (Kasten 2 und Abbildung 1)[4]. Insgesamt kann CKD als eine Stoffwechselstörung angesehen werden, die einen gestörten Fluss von Metaboliten und Signalmolekülen zwischen Organen und Organismen widerspiegelt, begleitet von einer Überaktivierung des Immunsystems (Abbildung 2). Dementsprechend erhöht die zentrale Rolle der Darm-Nieren-Fernsignalisierung über urämische Toxine [5] die Notwendigkeit, das Darmmetabolom bei CKD weiter zu charakterisieren.

Traditionell,NiereDie Krankheitsforschung hat sich weitgehend auf klinische [6] und Tierstudien [7] gestützt, die eine begrenzte Kontrolle über experimentelle Parameter bieten und eine hohe Variabilität zwischen den Arten aufweisen. Aufgrund des Mangels an geeigneten In-vitro-Experimentalmodellen besteht derzeit ein dringender Bedarf an Zellkultursystemen, die die verschiedenen Aspekte der Organfunktion in vivo durch die Verwendung von hochgradig kontrollierten und spezialisierten Kulturmikroumgebungen, einschließlich 3D-Gerüsten und Mikrofluidik, erfassen können [8 ]. Angesichts der Fortschritte in der multizellulären Kultivierung und Bioherstellung, der Integration von Echtzeit-Überwachungsfunktionen und der unabhängigen Kontrolle experimenteller Parameter ist es sicherlich in Sicht, die Komplexität der menschlichen Physiologie in vitro zu erfassen. Wir geben einen umfassenden Überblick über die bedeutendsten und jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der 3D-In-vitro-Modelle und heben ihre Relevanz für die Entwicklung eines bidirektionalen 3D-Darm-Nieren-Achsensystems hervor. Wir diskutieren auch die größten Hürden, die diese mit sich bringen, wie sie überwunden werden können, und bieten neue Einblicke in die aktuelle Richtung dieses Bereichs im Kontext von CKD.

Mikrophysiologische Modelle zur Entschlüsselung komplexer Organverknüpfungen

Das Aufkommen soziologischer Mikrographiesysteme (MPSs), auch als Organ-on-Chips (OOCs) bezeichnet, hat neue Möglichkeiten geschaffen, um die physiologischen Prozesse zu untersuchen, die an einzelnen Organen und dem Übersprechen zwischen Organen beteiligt sind. Es entsteht eine Reihe verschiedener Multi-MPS, die einen „Physiome-on-a-Chip“-Ansatz zur Simulation der funktionellen Einheiten von Organen sowie deren Übersprechen unterstützen, anstatt darauf abzuzielen, das/die vollständige(n) Organ(e) zu reproduzieren. Aus technischer Sicht bestehen MPSs oft aus einzelnen oder mehreren mikrofluidischen Kanälen mit Querschnittsabmessungen von Hunderten von Mikrometern, in denen kleine Volumina (Nanoliter bis Mikroliter) (re)zirkuliert werden. Durch die Sicherstellung eines engen Kontakts zwischen den Zellen ermöglichen diese Volumina die Erfassung des dynamischen Zell-Zell-Interaktion bei gleichzeitig minimalem Reagenzienverbrauch und Substanzverdünnung [9,10]. Eine hinzugefügte laminare Strömung kann Zellen kontinuierlich mit frischen Nährstoffen und Sauerstoff versorgen, während gleichzeitig Abfallprodukte entfernt werden, und kann genaue räumlich-zeitliche chemische und mechanische Gradienten in ihrer Umgebung erzeugen [11]. Die physikalische Isolierung verschiedener Gewebeanaloga wird durch Kompartimentierung in Mikrokanäle erreicht, die durch dünne poröse Membranen oder Schichten extrazellulärer Matrix (ECM) getrennt sind [12].

Die Schaffung der Lung-on-a-Chip-Plattform, bei der mechanische Belastung und mehrere Zelltypen kombiniert wurden, um die Atmung der Lunge nachzuahmen, war wegweisend für die Entwicklung biologisch inspirierter MPS [13]. Seitdem haben Fortschritte in der mikrofluidischen Handhabung es möglich gemacht, verschiedene Organmodelle zu verbinden und ihr Übersprechen innerhalb eines oder mehrerer Geräte zu steuern [14,15]. Die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet veranlassen uns, diese Fortschritte in Bezug auf die Modellierung des Darms zu diskutieren.NiereAchse bei CKD und untersuchen die Anforderungen von MPS zur Unterstützung der Kommunikation zwischen Organen, wobei auch der synergistische Ansatz berücksichtigt wird, sie innerhalb von Silico-Modellen zu kombinieren.

Auf dem Weg zur Replikation der Darm-Nieren-Achse mit MPSs

Durch die Integration von Mikrofluidik, Tissue Engineering und mikroelektromechanischen Systemen wurden mehrere Darm-on-a-Chip-Systeme etabliert. Unter den repräsentativsten Konfigurationen emulierte der Darm-on-a-Chip des Wyss Institute (USA) erfolgreich die dynamische Mikroumgebung des menschlichen Darms durch die Anwendung physiologisch relevanter Flüssigkeitsbegleiter und peristaltikähnlicher mechanischer Kräfte, und diese unterstützten die Zelldifferenzierung in Zotten - und kryptenähnliche Strukturen, die Bildung einer dicken epithelialen Monoschicht und eine verbesserte Zellfunktion (Abbildung 3A) [16–19]. In letzter Zeit haben sich topologische Merkmale als ausschlaggebend für die Steuerung der Zellfunktion erwiesen, aber nur wenige Studien haben versucht, die Kryptzottenarchitektur in mikrofluidischen Systemen zu replizieren, die jetzt leicht durch hochauflösende 3D-Stereolithographie [20], Photolithographie [21 ] und Mikroformen von vernetzten Hydrogelen [22]. Gegenwärtig wurde die Nachahmung von Darmtubulus-ähnlichen Strukturen durch die Kultivierung von Darmzellen auf der apikalen Seite eines durchschmelzbaren Hohlfasermembransystems [23,24] oder im Lumen von Mikrokanälen [25] angegangen. Die Zugabe einer ECM-Beschichtung und eines unidirektionalen apikalen Gefährten führte zu einem reifen Darmtubuli-Phänotyp mit Zotten-ähnlichen Strukturen. Die Exposition gegenüber dem von Clostridium difficile sezernierten Toxin A, einem natürlichen Darmbewohner-Virulenzfaktor und Darmbarrierestörer bei Dysbiose, oder gegenüber dem von Darmmikrobiota stammenden Metaboliten p-Cresol führte zu einer verbesserten Barrieredurchlässigkeit [23,24]. Gleichzeitig wurde p-Cresol in p-Cresylsulfat und p-Cresylglucuronid umgewandelt, die Endmetaboliten, die sich während des Fortschreitens der chronischen Nierenerkrankung im Plasma anreichern, wahrscheinlich über einen Cytochrom-P450--vermittelten Metabolismus, gefolgt von einer Konjugation, wodurch der Beitrag von hervorgehoben wird des Darms zur Biotransformation von Metaboliten aus Darmmikrobiota in urämische Toxine [23].

Die Komplexität und Vielfalt des Darmepithels kann zuverlässig rekapituliert werden, indem menschliche 3D-Gewebeorganoide verwendet werden [26,27]. Ihre Verwendung hat sich jedoch als schwierig erwiesen, da ihre geschlossene Outside-in-Konfiguration Transportstudien und die Exposition gegenüber kommensalen und pathogenen Bakterien behindert. Dennoch zeigten Thorne und Mitarbeiter, dass primäre Darmzellen durch enzymatische Dissoziation von Organoiden in der Lage waren, sich selbst zu organisieren und sich de novo in undifferenzierte oder differenzierte Regionen zu trennen und nischenartige Kompartimente zu bilden [28]. Durch Integration eines separaten mikrovaskulären Endotheliums, das unter unabhängiger Gefährten- und zyklischer Verformung kultiviert wurde, wurden die Absorptionseigenschaften dieser Zellen bewertet [29,30]. Kürzlich wurde gezeigt, dass der Einschluss von Crypt-Villus-Domänen in ein röhrenförmiges Epithel mit perfusionsfähigem Lumen stereotype Zellmusterungsmerkmale mit selbstregenerierendem Potenzial aufrechterhält [31].

Die In-vitro-Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikrobiota wurde durch die Unfähigkeit herkömmlicher Modelle behindert, eine lebensfähige komplexe Mikrobiota über mehrere Tage aufrechtzuerhalten. Obwohl der Beitrag der Schleimschicht zu den Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikrobiom oft übersehen wurde, wurde kürzlich gezeigt, dass die Integration einer dicken Schleimschicht – die als physiologische Barriere zwischen den Bakterien und dem Darmepithel fungiert – die Barriereschädigung und die parazelluläre Permeabilität verzögern könnte [32,33]. Dementsprechend ermöglichte das ausgeklügelte mikrofluidische Modell HuMiX die direkte Kokultur von anaeroben Bakterien und Darmzellen durch den Einbau einer funktionellen Schleimschicht sowie pulsierender Mit- und mechanischer Stimulation (Abbildung 3B) [34].

Die Mehrheit der Darmmikrobiota sind obligate Anaerobier, die eine Darmflora benötigen<0.5% o2="" growth="" conditions="" that="" are="" difficult="" to="" represent="" in="" vitro="" [19,35].="" this="" limitation="" was="" overcome="" by="" engineering="" mpss="" that="" incorporate="" physiologic="" oxygen="" gradients="" and="" support="" the="" dynamic="" interaction="" between="" intestinal="" and="" vascular="" endothelial="" layers.="" the="" chip="" consisted="" of="" an="" upper="" anaerobic="" epithelial="" chamber="" and="" a="" lower="" aerobic="" endothelial="" chamber,="" separated="" by="" a="" polydimethylsiloxane="" (pdms)="" membrane.="" through="" a="" radial="" oxygen="" gradient="" generated="" by="" the="" system,="" intestinal="" cells="" were="" oxygenated="" whereas="" anaerobic="" conditions="" allowed="" microbiota="" growth,="" as="" assessed="" by="" real-time="" monitoring="" via="" integrated="" noninvasive="" oxygen="" sensors="" [19,36].="" similar="" physiological="" hypoxia="" conditions="" were="" achieved="" by="" zhang="" and="" coworkers="" who="" cocultured="" oxygen="" super-sensitive="" bacterial="" species="" using="" a="" differently="" designed="" mps,="" the="" gumi="" (figure="" 3c)="" [37].="" this="" platform="" induced="" a="" steep="" oxygen="" gradient="" through="" the="" addition="" of="" a="" long-term="" continuous="" fellow="" of="" anoxic="" apical="" medium="" and="" aerobic="" basal="" media.="" the="" use="" of="" polysulfone,="" which="" unlike="" pdms="" is="" an="" oxygen-impermeable="" material,="" prevented="" any="" oxygen="">

Die Entwicklung vonNiere-on-a-Chip-Systeme waren ebenfalls eine Herausforderung, da es an funktionellen Zellen fehlte, um die multizelluläre Struktur und funktionelle Komplexität innerhalb des Nephrons in vitro zu rekapitulieren. Dementsprechend ist in Bezug auf die Darm-auf-einem-Chip-Vorrichtung die Entwicklung vonNiere-on-a-Chip-Systeme hinkt teilweise hinterher. Bisher wurden Modelle der glomerulären, proximalen Tubulus- und distalen Tubulusphysiologie entwickelt, aber die Integration aller Komponenten in ein vollständiges Nephron-on-a-Chip steht noch aus [38]. Physiologisch relevant sein, neben zellulärer Komplexität ein BiomimetikumNiere-on-a-Chip sollte (i) Zell-Zell-Wechselwirkungen wie die zwischen Podozyten oder proximalen Tubulus-Epithelzellen und dem (mikro)vaskulären Endothel, (ii) die transzellulären elektrochemischen und osmotischen Druckgradienten, die Flüssigkeiten und Metaboliten durch die Zellen treiben, integrieren interstitiellen Raum, (iii) Fluid Fellow und (iv) die strukturelle Anordnung der Nierentubuli sowie (v) zelluläre metabolische und endokrine Funktionen [38].

Der proximale Tubulus spielt eine entscheidende Rolle bei der metabolischen Abfallausscheidung und der Reabsorption von Biomolekülen und stand daher im Mittelpunkt des Interesses bei der Entwicklung von in vitroNiere-on-a-Chip-Systeme, die in vivo rekapitulierenNiereGewebe. Die Entwicklung funktionalerNiereTubuli unter Verwendung proximaler Tubuluszellen mit biofunktionalisierten Hohlfasern ermöglichten es Jansen und Mitarbeitern, die sekretorische Clearance von Metaboliten aus Darmmikrobiota zu untersuchen. Mit diesem System konnten die Forscher zeigen, wie proximale Tubuluszellen durch Fernerkundung und Signalübertragung erhöhte Indoxylsulfatspiegel wahrnehmen und die Expression der für ihre Ausscheidung verantwortlichen Transporter entsprechend anpassen, um stabile Metabolitenspiegel und Homöostase aufrechtzuerhalten [39].

Endothel-Zwischenraum-Epithel-Wechselwirkungen bestimmen den kontinuierlichen Austausch von gelösten Stoffen zwischen den Kreislauf- und Urinkompartimenten. Lin und Mitarbeiter entwickelten erfolgreich einen perfundierbaren 3D-vaskularisierten proximalen Tubulus, der in der Lage war, über den Tubulus-Gefäß-Austausch von gelösten Stoffen die aktive Reabsorptionsfunktion des zu simulierenNiere[40]. Dieses Modell ermöglicht die Quantifizierung der Nierenalbuminaufnahme und der Glukosereabsorption im Laufe der Zeit und bietet ein vielversprechendes Instrument zur Untersuchung der (patho)physiologischen Funktionen und Pharmakologie der Nieren. Anders als ein Austausch von gelösten Stoffen, dieNiereAuch der Zwischenraum gilt als zentral für die Entwicklung vonNiereFifibrose, ein Kennzeichen von CKD. Es wird angenommen, dass dies durch eine Vernarbung des interstitiellen Raums der Tubuli infolge einer interstitiellen Myofibroblastenaktivierung und einer anschließenden ECM-Ablagerung verursacht wird. Dennoch haben nur wenige Studien über seine Integration in 3D-in-vitro-Systeme berichtet. Die Validierung eines einfachen und hochgradig reproduzierbaren 3D-Tubulus/Interstitium-Mikroumgebungsmodells zur Untersuchung von Nierenfibrose in einem physiologisch relevanten In-vitro-System wurde von Moll und Mitarbeitern berichtet [41]. In dieser Studie wurde Cisplatin verwendet, um erfolgreich eine akute tubuläre Verletzung nachzuahmen. Die In-vitro-Replikation der Nierentubulus/Interstitium-Mikroumgebung wurde durch die Verwendung menschlicher dermaler Fibroblasten anstelle von Nierenfibroblasten erreicht, da erstere unter basalen Bedingungen geringe Mengen an fibrotischen Markern exprimieren. Trotz dieser Einschränkung zeigte das System jedoch, dass Epithelzellen eine zentrale Rolle bei der Auslösung der Aktivierung und Differenzierung von Myofifibroblasten spielen. Moll und Mitarbeiter versuchten, diese Studie mit primären Nierenfibroblasten zu wiederholen, stießen jedoch auf große Unterschiede in den Ergebnissen. Angesichts der Bedeutung des interstitiellen Raums bei CKD werden weitere 3D-In-vitro-Studien erforderlich sein, um seine Rolle beim Ausbruch und Fortschreiten der Krankheit aufzuklären.

DasNierenaktivieren auch 25(OH)Vitamin D durch Hydroxylierung an Position 1, was zu 1,25(OH)2Vitamin D führt, einem essentiellen Hormon, das bei CKD-Patienten häufig mangelhaft ist und das die Zusammensetzung der Darmmikrobiota und die Barriereintegrität beeinträchtigen kann. Kürzlich wurde eine On-Chip-Darstellung des Leberstoffwechsels undNiereDie Aktivierung von Vitamin D wurde entwickelt, indem ein Vitamin D-haltiges Medium in einen mikrofluidischen Chip perfundiert wurde, was darauf hindeutet, dass komplexe metabolische Wechselwirkungen zwischen Organen mit MPS-Technologien sehr gut erreichbar sind [42].

Bei CKD wird angenommen, dass die Verringerung der Produktion kurzkettiger Fettsäuren (SCFA), ergänzt durch die gleichzeitige Erhöhung der Produktion urämischer Toxine und deren systemischer Akkumulation [4], den für CKD typischen chronischen Entzündungszustand vorantreibt [4,43]. ]. Tatsächlich haben SCFAs, insbesondere Butyrat, sowohl nephroprotektive als auch darmschützende Wirkungen [4,44], und hohe Butyratspiegel wurden aufgrund seiner entzündungshemmenden Eigenschaften mit der Integrität der Darmbarriere und der Verbesserung der intestinalen Immunität in Verbindung gebracht [45]. Dennoch wurde dies kürzlich von Trapecar und Mitarbeitern widerlegt, die in einem psychomimetischen Ansatz zeigten, dass SCFAs eine Entzündungsreaktion in einem Darm-Leber-Modell verschlimmern können. Durch die Verbindung zweier pneumatischer Platten, die den Darm und die Leber separat darstellen, könnten CD4 plus T-Zellen und entzündliche T-Helferzellen vom Typ 17 (Th17) innerhalb und zwischen den beiden Kompartimenten zirkulieren. Die gegensätzlichen Wirkungen von SCFAs könnten mit dem Grad der Entzündung korrelieren, wobei ein erhöhter Entzündungszustand eine schädlichere Wirkung hat [46].

Unseres Wissens nach gibt es derzeit keine MPS, die sich mit den Auswirkungen von aus dem Darm stammenden Metaboliten auf den Darm befasst.Niere, oder anderer Organe, mit gleichzeitiger Verfolgung ihrer Biotransformation, im Kontext von CKD. Es wird eine Herausforderung sein, den Chip so abzustimmen, dass er die Bidirektionalität der Produktions- und Entfernungsflüsse von Metaboliten originalgetreu rekapituliert. Die Integration von Mikrobiota aus Stuhlproben von CNE-Patienten in ein intestinales mikrofluidisches System würde es uns ermöglichen, Veränderungen im mikrobiellen Stoffwechsel zu untersuchen und ihre (in)direkten Auswirkungen auf entfernte Organe zu analysieren, eine Funktion, die durch In-vivo-Experimente nicht erreichbar ist.

Technologische Fortschritte erhöhen den translationalen In-vivo-Wert von MPSs Die Entwicklung eines MPS ist eine Herausforderung und erfordert einen multidisziplinären Ansatz. Es ist wichtig zu beachten, dass kein einzelnes MPS alles kann und je nach Anwendung unterschiedliche Systeme erforderlich sein können. Die Vorteile und Grenzen verfügbarer Systeme zur Bekämpfung des Darms –NiereAchse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Eine der häufigsten Herausforderungen auf diesem Gebiet ist die Entwicklung eines Systems, das biologisch komplex und technisch ausreichend einfach ist, um es in Zellkulturlabors zu etablieren.

Die Ingber-Gruppe (Wyss Institute, USA) hat gut optimierte Protokolle für die Zellkultivierung, die Verbindung mikrofluidischer Komponenten mit dem Chip und die Probenahme etabliert [16–18,47]. Obwohl technologisch fortschrittlich, erfordert ihr mikrofluidisches System eine erhebliche Schulung von nicht-technischen Bedienern, selbst für automatische mikrofluidische Assays [47]. Pumpenlose Multiorgan-Chips, die vom Shuler-Labor (Cornell University, USA) sowie von Unternehmen wie Hesperos Inc. (Abbildung 3E) und InSphero entwickelt wurden, erhöhen den Durchsatz auf Kosten einer begrenzten Kontrolle über die Kompliziertheit und Gerätekomplexität [48] (https://hesperosinc.com/). Obwohl die Replikation biophysikalischer Hinweise begrenzt ist, verwendet das vom Griffith Laboratory (Massachusetts Institute of Technology, USA) entwickelte MPS konventionellere Protokolle, indem es beispielsweise einen direkten Zugang zum Gewebeanalog ermöglicht und modifizierte Standard-Transwell®-Einsätze verwendet (Abbildung 3C, D) [37,49].

Innovative Unternehmen haben ähnliche Multiorgan-Plattformen wie TissUse® entwickelt. Ihre On-Chip-Pumpen verbinden die Organe und machen das System weniger anfällig für Blasenbildung und Leckagen. Diese Geräte bieten jedoch ein begrenztes mikrofluidisches Routing, zum Beispiel fehlt der apikale Gefährte im Darmmodell, und die Anpassung der Gewebemodelle ist schwierig.

Eine weitere große Herausforderung ist das Spanmaterial. PDMS gehört aufgrund seiner hervorragenden Sauerstoffdurchlässigkeit, optischen Klarheit und Prototyping-Eigenschaften zu den am häufigsten verwendeten Materialien. Die Sauerstoffdurchlässigkeit ist jedoch ein Nachteil bei der Kokultivierung des obligat anaeroben Mikrobioms mit Darmzellen [20,37]. Beim Testen von hydrophoben Verbindungen, beispielsweise in Arzneimitteltoxizitäts- oder Wirksamkeitsstudien, wird PDMS nicht empfohlen, da es kleine hydrophobe Moleküle absorbiert. Daher sind MPSs, die aus inerteren Materialien bestehen, die eine unspezifische Bindung von Verbindungen verhindern, am zuverlässigsten. Zum Beispiel entwickelten Edington und Mitarbeiter eine Polystyrol-basierte mikrofluidische Plattform aus miteinander verbundenen MPSs in einem Versuch, ein Physiome-on-a-Chip nachzubilden, das komplexe molekulare Verteilungsprofile für fortschrittliche Anwendungen in der Arzneimittelforschung erzeugen kann [50].

Die Entwicklung von Plattformen mit integrierten Sensoren (Sauerstoff, Harnstoff, Laktat oder Glukose) und/oder optischer Transparenz hat die nichtinvasive Zellanalyse in Echtzeit erleichtert (Kasten 3) [51,52]. Kürzlich wurde eine Plattform mit vollständig integrierter modularer Sensorik entwickelt. Dieses betreibt MPS-Einheiten kontinuierlich, dynamisch und automatisiert und umfasst physikalische Sensoren zur Überwachung der extrazellulären Mikroumgebung, biochemische Sensoren zur Messung löslicher Biomarker, Miniaturmikroskope zur Erfassung morphologischer Veränderungen und ein Mikrofluid-Routing-Steckbrett zur zeitnahen Weiterleitung von Flüssigkeiten Weise [53].

Eine Computeranalyse ist auch notwendig, um festzustellen, ob MPS-abgeleitete experimentelle Daten auf die In-vivo-Leistung extrapoliert werden können [54]. Daher sollte die Integration von maschinellen Lernalgorithmen (In-Silico-Modellierung) zu einem strategischen Bestandteil von MPS werden [55]. Das Rechenmodell kann angepasst werden, um die Grenzen experimentell verknüpfter MPS zu überwinden und die Daten in den Bereich von Tierversuchen und Extrapolationsmethoden zu bringen [54]. Vorhersagen aus In-silico-Studien können Feedback liefern, um MPS-Modelle weiter zu verbessern [55]. Beispielsweise könnten In-silico-Studien eingesetzt werden, um die Motilität von Immunzellen nach einer Schädigung der Darmbarriere zu modellieren und das Zellverhalten bei Exposition gegenüber bestimmten Parametern oder Biomolekülen vorherzusagen [56–59].

Schlussbemerkungen und Zukunftsperspektiven

Im Laufe des nächsten Jahrhunderts wird die Prävalenz von CKD voraussichtlich weltweit drastisch zunehmen, was erhebliche wirtschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen mit sich bringen wird. Unabhängig vom Herkunftsland wurde festgestellt, dass die jährlichen Gesundheitskosten und die gesellschaftlichen Kosten parallel zum Fortschreiten der CNI steigen [60], was den dringenden Bedarf an einer Krankheitsmodellplattform unterstreicht, auf der die CNI-Pathophysiologie untersucht und potenzielle therapeutische Ziele identifiziert werden können.

Dennoch müssen noch viele Herausforderungen angegangen und mehrere Probleme gelöst werden, bevor MPSs entwickelt werden können, die CKD genau modellieren (siehe Offene Fragen). Zum Beispiel bleiben die anfänglichen Ereignisse, die den Ausbruch von CNI vorantreiben, unbekannt, was die Modellierung des Beginns von CNI bei MPS schwierig macht.NiereVerletzungen, die zur Entwicklung von CNE führen, sind vielfältiger Natur und beinhalten oft eine kardiovaskuläre Komponente, was ihre Darstellung noch schwieriger macht. Darüber hinaus ist die Zusammensetzung des Darmmikrobioms komplex und schwierig zu reproduzieren; Nichtsdestotrotz ist es eine wesentliche Voraussetzung für ein CKD-Erkrankungsmodell. Die jüngsten erfolgreichen Entwicklungen von MPS, die anaerobe Bakterien integrieren, wurden durch die Integration von Biosensoren für die Sauerstoffmessung sowie durch die Einbeziehung kontrollierter Strömungen und einer Schleimschicht ermöglicht, die das Überwuchern von Bakterien reduzieren und die Schädigung von Darmzellen begrenzen (Tabelle 1). Es müssen jedoch noch breite anaerobe Bakterienkonsortien innerhalb der Systeme erreicht werden, obwohl dies für eine physiologische Repräsentation des Darmmikrobioms notwendig sein wird. Probleme mit absorbierenden und luftdurchlässigen Materialien stellen auch eine große Hürde auf diesem Gebiet dar und stellen die Eignung der Systeme für das Wachstum anaerober Bakterien oder zum Testen lipophiler Verbindungen in Frage. Die Relevanz von Organverbindungen wurde in diesem Review stark hervorgehoben; Es ist daher von entscheidender Bedeutung, Kreislauf- und Immunsystem in MPS zu integrieren, aber diese wurden nur in wenige Modelle integriert.

Durch die Verbesserung der Interdisziplinarität könnte die Integration von Bioprinting, Biomaterialien und Biosensoren zur Echtzeitüberwachung der Mikroumgebung die anatomischen und biochemischen Merkmale sowie die Komplexität der Systeme berücksichtigen, die zur Erhöhung ihrer physiologischen Relevanz erforderlich sind. Mit fortschreitender MPS-Technologie und dem aktuellen Trend zu verbesserten multidisziplinären Ansätzen werden diese unbeantworteten Fragen schließlich angegangen.

Danksagungen

Dieses Projekt erhielt Mittel aus dem EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Zuschussvereinbarung STRATEGY-CKD H2020-2019-ETN (860329) sowie der Ausschreibung WIDESPREAD-05-2018-TWINNING UMBAU (857491). Diese Arbeit wurde weiter von den Niederländern unterstütztNiereStiftung (DKF, 17OI13). RM ist Mitglied der von ESAO/ERA-EDTA unterstützten Arbeitsgruppe EUTox.

Verweise

1. Himmelfarb, J. et al. (2020) Die aktuelle und zukünftige Landschaft der Dialyse. Nat. Rev. Nephrol. 16, 573–585

2. Evenepoel, P. et al. (2017) Der Darm–NiereAchse. Pädiatrie Nephrol. 32, 2005–2014

3. De Sordi, L. et al. (2017) Die Darmmikrobiota erleichtert Drifts in der genetischen Vielfalt und Infektiosität bakterieller Viren. Cell Host Microbe 22, 801–808

4. Rukavina Mikusic, NL et al. (2020) Darmmikrobiota und chronischNiereKrankheit: Beweise und Mechanismen, die eine neue vermitteln

Kommunikation in der Gastrointestinal-Nieren-Achse. Pflugers Arch. 472, 303–320

5. Nigam, SK und Bush, KT (2019) Chronisches Urämisches SyndromNiereKrankheit: veränderte Fernerkundung und Signalgebung. Nat. Rev. Nephrol. 15, 301–316

6. Okada, H. et al. (2020) Wesentliche Punkte aus Evidence-Based Clinical Practice Guidelines for ChronicNiereKrankheit 2018. Klin. Erw. Nephrol. 23, 1–15

7. Becker, GJ und Hewitson, TD (2013) Tiermodelle für chronischeNiereKrankheit: nützlich, aber nicht perfekt. Nephrol. Wählen. Transplantation. 28, 2432–2438

8. Faria, J. et al. (2019)Niere-basierte In-vitro-Modelle für arzneimittelinduzierte Toxizitätstests. Bogen. Giftig. 93, 3397–3418

9. Beebe, DJ et al. (2002) Physik und Anwendungen der Mikrofluidik in der Biologie. Jährlich Rev. Biomed. Eng. 4, 261–286

10. Zhang, B. et al. (2018) Fortschritte in der Organ-on-a-Chip-Technik. Nat. Rev. Mater. 3, 257–278

11. Lin, B. und Levchenko, A. (2015) Räumliche Manipulation mit Mikrofluidik. Vorderseite. Bioeng. Biotechnologie. 3, 39

12. Yum, K. et al. (2014) Physiologisch relevante Organe auf Chips. Biotechnologie. J. 9, 16–27

13. Huh, D. et al. (2010) Wiederherstellung von Lungenfunktionen auf Organebene auf einem Chip. Wissenschaft 328, 1662–1668

14. Lee, SH und Sung, JH (2018) Organ-on-a-Chip-Technologie zur Reproduktion der Multiorganphysiologie. Erw. Gesundheitc. Mater. 7, 1700419

15. Sung, JH et al. (2019) Jüngste Fortschritte bei Body-on-a-Chip-Systemen. Anal. Chem. 91, 330–351

16. Kim, HJ et al. (2012) Menschlicher Darm auf einem Chip, der von einer mikrobiellen Flora bewohnt wird, die Darmperistaltik-ähnliche Bewegungen und Strömungen erfährt. Laborchip 12, 2165–2174

17. Kim, HJ und Ingber, DE (2013) Gut-on-a-Chip-Mikroumgebung induziert menschliche Darmzellen zur Zottendifferenzierung. Ganze Zahl. biol. (Camb) 5, 1130–1140

18. Kim, HJ et al. (2016)Beiträge des Mikrobioms und der mechanischen Verformung zur Darmbakterienüberwucherung und -entzündung in einem menschlichen Darm-on-a-Chip. Proz. Natl. Akad. Wissenschaft. USA 113, E7–E15

19. Jalili-Firoozinezhad, S. et al. (2019) Ein komplexes menschliches Darmmikrobiom, das in einem anaeroben Darm-auf-einem-Chip kultiviert wird. Nat. Biomed. Eng. 3, 520–531

20. Creff, J. et al. (2019)Herstellung von 3D-Gerüsten, die die Topographie des Darmepithels durch hochauflösende 3D-Stereolithographie reproduzieren. Biomaterialien 221, 119404