Aviso: Esta página é uma tradução automática da página original em inglês. Por favor note uma vez que as traduções são geradas por máquinas, não tradução tudo será perfeita. Este site e suas páginas da Web destinam-se a ler em inglês. Qualquer tradução deste site e suas páginas da Web pode ser imprecisas e imprecisos no todo ou em parte. Esta tradução é fornecida como uma conveniência.

O papel de sistemas de Microphysiological para a oncologia e a pesquisa da célula estaminal

Thought LeadersNancy Allbritton Professor of Biomedical Engineering Univeristy of North Carolina

Nesta entrevista, o Dr. Nancy Allbritton do laboratório de Allbritton fala a Notícia-Médico e às ciências da vida sobre a tecnologia revolucionária e às técnicas para a aplicação das novas tecnologias para a oncologia e a pesquisa da célula estaminal.

O Dr. Nancy Allbritton fornece a introspecção na órgão-em-um-microplaqueta e a capacidade que tem que monitorar e controlar o ambiente a nível celular e do tecido é um dos pedidos os mais prometedores para sistemas microengineered. O Dr. Allbritton estará apresentando-lhe a pesquisa e os resultados em Pittcon 2020 em Chicago.

Que são sistemas microphysiological (órgão-em-microplaquetas) e porque são que se tornam cada vez mais importantes na biologia e na medicina?

Os sistemas de Microphysical procuram replicate a unidade de funcionamento a menor de um órgão. Para a intestino-em-um-microplaqueta, pôde ser grandes ou criptas intestinais pequenas. Para um coração, pode ser uma secção do músculo contráctil. Para o fígado, pode ser um lóbulo do fígado ou um grupo de lóbulo. É um grupo de pilhas interconectadas de modo que apenas não se esteja comportando como uma única pilha ou apenas um conjunto pequeno, mas começou a mostrar o comportamento de ordem superior e o funcionamento.

Eu penso que uma das razões que os sistemas microphysical se estão tornando cada vez mais importantes é que nós tivemos muitas descobertas na tecnologia da célula estaminal. A capacidade para crescer células estaminais humanas dos órgãos diferentes está agora actual, assim como a capacidade para criar um tecido da pilha diferenciada dactilografa das células estaminais preliminares ou das pilhas órgão-específicas das células estaminais pluripotent induzidas.

Agora, é o momento perfeito para esta tecnologia, porque nós temos todas as inovações de possibilidade dos métodos do microfabrication e da biologia de célula estaminal que vêm junto. Umas outras órgão-em-microplaquetas da razão estão tornando-se importantes são a capacidade para crescer o tecido humano. É muito duro fazer experiências na população humana e obter uma boa representação da população, uma ou outra porque os povos não se estão oferecendo ou porque apenas não há bastante povos nesse grupo particular de indivíduos. Com a microplaqueta, você pode começar a provar a variação população-larga do tecido. Os órgãos em microplaquetas podem igualmente ser uma maneira melhor de testar drogas. Um pouco do que as pilhas do teste em um prato, que são geralmente pilhas do tumor e muito anormais em seu crescimento e em outras características, as órgão-em-microplaquetas construídas das pilhas humanas normais podem ser usadas para obter uma representação mais exacta de como as drogas afectarão seres humanos. Adicionalmente, podem outperform experiências murine de várias maneiras desde que os seres humanos não são ratos de simplesmente 70 quilogramas.

Nós pudemos curar ratos de todos os tipos de doenças, mas muito deste trabalho não traduziu aos seres humanos. Assim, quando aquela era uma boa tecnologia de exame, muitas drogas obtiveram completamente que eram bastante tóxicas aos seres humanos, e então muitas drogas que podem ter trabalhado bem nos seres humanos, mas foram tóxicas aos ratos obtêm obstruídas.

Crédito de imagem: Shutterstock/royaltystockphoto.com

Os dispositivos de Microphysiologic devem maximizar o número de drogas do bom que poderiam trabalhar bem nos seres humanos. Você pode esperançosamente igualmente obter a informação de um valor mais alto e criar um encanamento muito melhor da droga. Eu penso que fazendo a selecção da alto-produção em subunidades do órgão em dispositivos microfabricated pode complementar a selecção da droga nos seres humanos. A ideia é que você pode poder cortar custos em diversas maneiras;

  1. reduzindo o número dos estudos animais
  2. removendo as drogas ineficazes do encanamento mais cedo (as drogas ruins falham mais cedo no encanamento)
  3. minimizando a extensão a que os estudos humanos são necessários

Eu acredito que você pode igualmente começar a desenvolver modelos humanos da doença. Você pode criar modelos do rato da doença humana, mas recapitulam quase nunca completamente a doença humana. Mesmo quando é uma mutação genética simples, os ratos podem frequentemente estar assintomáticos ou actuais com sintomas e resultados diferentes a essa mutação. Com a órgão-em-um-microplaqueta, você pode ter o tecido humano de funcionamento que imita muitos dos sintomas de doenças humanas. Excitando, um pode começar a pôr, por exemplo, uma intestino-em-microplaqueta acoplada com o microbiome humano do intestino ou a flora do intestino e a começar a compreender como o tecido e o microbiota interactivos.

Isto é importante porque nossa flora do intestino é muito diferente daquela de um rato e de outros organismos modelo. Nós sabemos agora que os micróbios intestinais têm um impacto fisiológico tremendo durante todo nosso corpo que inclui o metabolismo e a mentação, nosso comportamento de alimentação, e estes são os aspectos do comportamento humano ou da fisiologia que não podem ser recapitulados em um modelo animal ou em pilhas em um prato.

Eventualmente, nós poderemos amarrar junto os órgãos humanos como sistemas humanos da órgão-em-microplaqueta. Por exemplo, o alimento é adicionado ao modelo do intestino e absorvido, os nutrientes viajam ao fígado, o fígado metaboliza os compostos absorvidos que enviam os para fora ao corpo no conjunto que inclui o cérebro e o coração. Os órgãos devem ser amarrados junto para considerar o efeito completo em que o comportamento ou o funcionamento de um órgão impactam outros órgãos conectados. Isso nunca substituirá um ser humano inteiramente de funcionamento, mas eu penso que a expectativa é que pode terminar acima ser muito mais exacta e, de certa forma, mais barata do que ratos ou outro sistemas mamíferos do modelo.

Os sistemas da órgão-em-um-microplaqueta ajudar-nos-ão a compreender a biologia básica e a fisiologia básica do ser humano.

Por que são os métodos de engenharia novos necessários para sistemas microphysiological?

Os dispositivos de Microphysiologic dependem de muitos campos da química para seu avanço que inclui orgânico sintético, o polímero e a química analítica. Nós precisamos umas matrizes mais sintéticas de apoiar as pilhas e os tecidos que incluem os polímeros espertos e os materiais do andaime que apoiarão, directos e de dar forma a estes sistemas do órgão. Agora, as matrizes de uso dos povos frequentemente derivaram-se dos materiais biológicos nativos, como o colagénio ou o matrigel, que são caros e definidos não inteiramente. Os químicos do polímero e os químicos sintéticos estão trabalhando duramente para desenvolver materiais e matrizes novos quando os químicos analíticos, assim como os coordenadores, desenvolverem materiais e métodos para a fabricação do microdevice, os realces do sensor, e os outro inovações dispositivo-relacionadas.

Os sistemas de Microphysiologic precisarão claramente uma disposição de sensores encaixados e externos para monitorar seus saúde e bem estar assim como atributos patofisiológicos. Precisarão (e miniaturizado frequentemente) sensores encaixados robustos, seguros para o consumo do oxigênio, concentração da glicose, produção2 do CO, pH, e outros atributos do produto químico e do exame. Importante os sensores não devem molestar o sistema. Estes sensores exigirão provavelmente métodos externos da instrumentação ou de detecção monitorar os sensores encaixados, por exemplo, RFID ou readouts ópticos.

Para o planejamento e a química, estas estão indo ser as áreas enormes onde muitas podem contribuir a mover o campo para a frente. Para projetar, especificamente, maneiras tornando-se de fazer os sistemas integrados que são custo, manufacturable eficiente, baixo, shippable, independentes, e podem falar entre si será importante. Esta é uma área onde o planejamento e a química devam trabalhar junto em uma aproximação de equipe para mover para a frente o campo. Está indo tomar ambas as disciplinas para avançar realmente o campo.

Que são tecnologia microfabricated e como podem ele ser usados para superar estas edições?

A tecnologia de Microfabricated refere os dispositivos desenvolvidos com características mícron-feitas sob medida. As pilhas têm diâmetros na ordem de 10 mícrons e muitas subunidades do órgão medem centenas de mícrons de modo que as características arquitectónicas mícron-feitas sob medida sejam exigidas recapitular as características chaves. Por exemplo, as grandes criptas intestinais (a subunidade fisiológico chave do grande intestino) têm aproximadamente 400 mícrons de comprimento e 100 mícrons de largura com a ameia da célula estaminal que mede dez dos mícrons. Assim, os métodos do microfabrication são perfeitos para reconstruir muitas das características arquitectónicas chaves do grande intestino.

Quando se trata de reconstruir características arquitectónicas tais como o intestino do lare, os métodos do microfabrication são perfeitos para este. Crédito de imagem: Shutterstock/nobeastsofierece

Como as plataformas microfabricated usadas em seu laboratório foram desenvolvidas?

Nós fazemos a intestino-em-um-microplaqueta, que é na maior parte o grande intestino e tem diversas plataformas da complexidade de variação. O mais simples é os monolayers epiteliais intestinais humanos que têm uma haste e/ou umas pilhas diferenciadas. Estes podem ser usados para avaliar como o intestino transporta e metaboliza drogas e nutrientes ou como as células estaminais se diferenciam na muco-produção, hormona-produzindo, ou tipos absorventes da pilha. Estes sistemas são projectados ser os sistemas modelo de uma produção mais alta que são simples mas não possuem o grande índice de informação possível. Contudo, são robustos e seguros. Nós igualmente temos os tecidos 3D complexos que replicate uma vasta gama de comportamentos fisiológicos assim como as características arquitectónicas do intestino humano. Importante muitos destes sistemas apoiarão o vasto leque do produto químico e os inclinações do gás encontraram no intestino humano. Podem igualmente hospedar o microbiome humano de modo que uma compreensão melhor da interacção complexa entre as pilhas humanas e os micróbios possa ser desenvolvida na saúde e na doença.

Como com os todos nossos sistemas modelo, nós recomendamos geralmente usuários de nossos sistemas empregar a plataforma a mais simples possível e adicioná-la então na complexidade como necessário para a tarefa à mão.

<

Como você usou as plataformas para criar as estruturas que se assemelham a tecidos in vivo?

Nós temos umas plataformas mais complexas que sejam projectadas replicate muitas características diferentes do intestino humano, tais como a arquitetura, os comportamentos da migração da pilha, e as decisões do destino da célula estaminal. Estes são os sistemas tridimensionais dados forma que existem como disposições de criptas (ou de microwells) cobertas com um monolayer de pilhas epiteliais intestinais. A disposição da cripta tem uma superfície básica para uma difusão nutriente, e um lúmen, como o interior do intestino.

Você pode imaginar as pilhas no interior do intestino, enfrentando o desperdício ou o alimento, é muito diferente das pilhas que estão na base das criptas intestinais. Nestes sistemas, as células estaminais estão encontradas na base da cripta ou do microwell quando as pilhas diferenciadas, maduras tais como pilhas absorventes forem encontradas enfrentar a superfície luminal, isto é lado waste. Estes sistemas são umas duplicatas quimicamente e arquitectònica muito mais fiéis do intestino humano do que os sistemas mais simples, mas aquele igualmente significa que são uns pouco mais duros de criar, construir, e manter. Com alguns destes sistemas tridimensionais, nós criamos inclinações químicos através dos tecidos, isto é a linha central longa da cripta intestinal, apenas porque a célula estaminal fatora e o alimento/metabolitos bacterianos existe em um inclinação através de suas criptas intestinais. Este microdevice permite controle micro-ambiental muito sofisticado destes tecidos complexos.

Os tecidos vivos e os órgãos são altamente dinâmicos. Pode você replicate a matriz extracelular e os sinais extracelulares que existiriam normalmente dentro de um órgão?

Nós podemos fazê-lo muito, mas nós não podemos fazê-lo todo. Por exemplo, com os inclinações químicos, as células estaminais que se sentam na base destes microwells são expor muito aos factores de elevado crescimento, mas aos aproximadamente 400 mícrons afastado, assim que aos alguns diâmetros do cabelo, as pilhas não consideram muito destes factores. Este inclinação químico imita o microambiente da sinalização do intestino muito pròxima. Há igualmente todos os tipos de metabolitos e de produtos bacterianos que estão na concentração muito alta para as pilhas na superfície luminal, mas baixo onde as células estaminais estão para baixo na base dos microwells ou das criptas.  Nós podemos igualmente replicate este o alimento e inclinações bacterianos do metabolito usando compostos refinados ou as bactérias reais no lado luminal do intestino em uma microplaqueta.

Este sistema 3D começa a duplicar os sinais fisiológicos humanos que controlam comportamento das pilhas', mas há algumas coisas que nós não podemos fazer ainda. Nós não temos um fluxo sanguíneo, por exemplo, ou os vasos sanguíneos que entram em nossa microplaqueta. Aquele é um dos passos seguintes, mas há muito trabalho a fazer para construi-lo, contudo ainda tem um sistema robusto e seguro da intestino-em-microplaqueta. Nosso tecido está crescendo na complexidade, mas nós ainda temos somente 1 a 2 tecidos nos dispositivos e um subconjunto pequeno das bactérias encontrou no intestino humano. Se podia imaginar cada vez mais pôr cada vez mais tipos do tecido. O intestino tem pilhas epiteliais, fibroblasto, pilhas de músculo, pilhas neurais, pilhas imunes, todos os tipos da outra pilha dactilografam, e adicionar em todos aqueles tipos da pilha criaria um órgão fisiológico mais normal. Eu penso que aqueles são todos os objetivos para o futuro em que nós nos estaremos movendo para a frente.

Como poderiam os monolayers que intestinais você para se ter tornado em seu laboratório seja usado para a revelação da droga?

Nossas tecnologias da intestinal-em-microplaqueta podem ser usadas para compreender o transporte e o metabolismo da droga por seres humanos (ao contrário dos ratos ou das pilhas tecido-cultivadas do tumor). Adicionalmente, os micróbios no intestino humano ou o epitélio intestinal humano podem converter drogas em seu formulário activo ou em um metabolito tóxico. Ao longo dessa linha, uma poderia começar a fazer telas rápidas a respeito de como as drogas são alteradas, metabolizadas e transportadas através do epitélio intestinal. Importante muitas drogas causam a deficiência orgânica intestinal ou os efeitos secundários e as telas podem ser executados para o impacto das drogas nas pilhas intestinais ele mesmo e o impacto na função intestinal da barreira, por exemplo leakiness.

Como um exemplo, é agora igualmente claro que na quimioterapia do cancro, o intestino e as bactérias dentro do intestino jogam um papel enorme em como bom a quimioterapia está trabalhando. Como isto trabalha não é compreendida boa, assim que eu penso que está indo estar um impulso grande para usar estes sistemas para compreender como nós podemos fazer as drogas anticancerosas que são mais eficazes e menos tóxicas no intestino e em outros sistemas biológicos. Nós estamos começando somente a riscar a superfície.

Crédito de imagem: Nobeastsofierce de Shutterstock/

Você pensa que os sistemas microphysiological poderiam um dia substituir os modelos animais? Que desafios nós precisaremos de superar antes que este esteja possível?

Eu não penso que os sistemas microphysiological podem sempre totalmente substituir os modelos animais. É a lei nos E.U. para testar drogas em animais. Nós somos igualmente uma maneira longa fora de ter uma humano-em-um-microplaqueta completa com todos os sistemas diferentes do órgão no lugar e interconectado, visto que um rato ou o outro sistema animal são já lá. Eu penso que é mais provável que as microplaquetas reduzirão o número de animais usados de modo que você possa obter a informação de um valor mais alto, complementando desse modo um pouco do que substituindo os modelos animais. As microplaquetas igualmente permitirão introspecções a respeito de como os seres humanos puderam finalmente responder diferentemente dos sistemas modelo animais.

O trabalho em curso na área da órgão-em-microplaqueta é demonstrar que estes dispositivos realmente imitam e replicate respostas humanas (e muitas têm sido mostrados já à fisiologia humana simulada quando os modelos animais falhados). Total o futuro para tecnologias da órgão-em-microplaqueta parece bastante brilhante e crescerá indubitàvelmente na importância e no impacto futuros.  

Estamos como distante nós longe de construir um sistema microphysiological que poderia ser usado para estudar doenças complexas, tais como desordens cardiovasculares?

Há já os dispositivos que demonstram muitos dos fenótipos complexos da doença. Por exemplo, a em-microplaqueta dos vasos sanguíneos replicated doenças do vaso sanguíneo tais como metástases da aterosclerose e do tumor. Há alguns dispositivos surpreendentes da coração-em-microplaqueta com subunidades cardíacas de funcionamento do tecido que recapitula exactamente o impacto de drogas cardiovasculares, assim que eu penso que nós estamos fazendo o bom progresso. Eu penso que nós veremos um número crescente de modelos impressionantes e altamente com carácter de previsão da doença com o passar do tempo.

Finalmente, que o futuro guardara para você e sua pesquisa?

O próximo trimestre, nosso objetivo grande é fazer realmente uma intestino-em-um-microplaqueta que replicates inteiramente os intestinos pequenos e grandes humanos. Nós estamos trabalhando duramente em pôr um microbiome humano ou umas bactérias intestinais normais sobre nossa intestino-em-microplaqueta. Além do que inclinações químicos, os inclinações do gás tais como o oxigênio existem através das criptas intestinais que nós estamos trabalhando duramente em replicating. Nós queremos realmente adicionar em mais tipos do tecido, tais como o sistema imunitário, os fibroblasto, e o tecido nervoso. We've conseguiu bastante um bit do trabalho fazer para fazer uma réplica inteiramente de funcionamento assim que nós igualmente estamos começando team acima com outros povos, particularmente povos da fígado-em-um-microplaqueta de modo que nossa intestino-em-um-microplaqueta possa absorver o alimento e então o enviar a sua fígado-em-microplaqueta para criar um modelo fígado-intestinal inteiramente de funcionamento para recapitular a digestão, o metabolismo, e a desintoxicação do alimento.

Uma parte grande de nosso trabalho é fazer os sistemas robustos e seguros assim como fáceis de usar para biólogos e investigador clínicos. Isso pode soar trivial, mas não é. Muitos grandes dispositivos permanecem isolado no laboratório dos inventores devido a seu alto nível da complexidade. Quando os biólogos tentam usar estes dispositivos complexos, há apenas pontos demais da falha. Fazer mesmo um destes sistemas shippable será um desafio, porque como você o dá ao FedEx, contudo chega nas boas condições através do mundo? Há muitos desafios com escalabilidade, fabricação, vigor, e confiança que meu laboratório, em particular, está interessado na abordagem para se certificar de que estas órgão-em-microplaquetas saem no mundo real e cumprem seu potencial.

Onde podem nossos leitores ir encontrar mais?

Para encontrar satisfaça mais para visitar http://allbritton.web.unc.edu/

Sobre Nancy Allbritton

O Dr. Allbritton é um professor no departamento da tecnologia biológica e no decano de Frank & de Julie Jungers da engenharia na universidade de Washington em Seattle. Foi o fundador científico de quatro empresas e aprecia o curso internacional.

Citations

Please use one of the following formats to cite this article in your essay, paper or report:

  • APA

    Pittcon. (2020, June 01). O papel de sistemas de Microphysiological para a oncologia e a pesquisa da célula estaminal. News-Medical. Retrieved on March 07, 2021 from https://www.news-medical.net/news/20200506/The-Role-of-Microphysiological-Systems-for-Oncology-and-Stem-Cell-Research.aspx.

  • MLA

    Pittcon. "O papel de sistemas de Microphysiological para a oncologia e a pesquisa da célula estaminal". News-Medical. 07 March 2021. <https://www.news-medical.net/news/20200506/The-Role-of-Microphysiological-Systems-for-Oncology-and-Stem-Cell-Research.aspx>.

  • Chicago

    Pittcon. "O papel de sistemas de Microphysiological para a oncologia e a pesquisa da célula estaminal". News-Medical. https://www.news-medical.net/news/20200506/The-Role-of-Microphysiological-Systems-for-Oncology-and-Stem-Cell-Research.aspx. (accessed March 07, 2021).

  • Harvard

    Pittcon. 2020. O papel de sistemas de Microphysiological para a oncologia e a pesquisa da célula estaminal. News-Medical, viewed 07 March 2021, https://www.news-medical.net/news/20200506/The-Role-of-Microphysiological-Systems-for-Oncology-and-Stem-Cell-Research.aspx.