DOI: https://doi.org/10.7150/thno.90492
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38169573
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Hui Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الطباعة ثلاثية الأبعاد في البحث biomedical
نظرة عامة
يتناول القسم التكامل المبتكر بين الأعضاء البشرية الصغيرة (HOs) والأعضاء الدقيقة على الشرائح (OOCs) لإنشاء الأعضاء البشرية على الشرائح (OrgOCs)، والتي تعمل كنماذج ثلاثية الأبعاد متقدمة تعكس الخصائص الفسيولوجية والمرضية للأنسجة البشرية. تعزز OrgOCs نمذجة المواطن البيئي البشري مقارنةً بزراعة الخلايا التقليدية ثنائية الأبعاد ونماذج الحيوانات، مما يوفر إمكانيات كبيرة للتطبيقات السريرية، ونمذجة الأمراض، والطب الدقيق. تسلط المراجعة الضوء على الميزات المعمارية لـ OrgOCs وتطبيقاتها التحولية عبر مجالات الطب الحيوي المختلفة، بينما تتناول أيضًا التعاونات متعددة التخصصات اللازمة للتغلب على التحديات الحالية في تطوير هذه النماذج وتوحيدها.
في الاستنتاجات، يؤكد المؤلفون على إمكانية OrgOCs في إحداث ثورة في بناء الأعضاء الاصطناعية الحيوية من خلال محاكاة تفاعلات الأعضاء والعمليات الفسيولوجية بدقة. تشمل التقدمات الحالية إعادة إنشاء أنظمة أعضاء متعددة على الشرائح الدقيقة، والتي يمكن أن تحاكي الدورة الدموية والظروف المرضية المختلفة. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في تحقيق الأعضاء الصغيرة المدمجة بالكامل مع الأوعية الدموية والجهاز المناعي. يدعو المؤلفون إلى دمج تقنيات متقدمة مثل الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد والعلوم متعددة الأوميات لتعزيز تعقيد ووظائف OrgOCs. يتوقعون مستقبلًا حيث يمكن أن تقلل OrgOCs بشكل كبير من الاعتماد على نماذج الحيوانات، وتحسن تطوير الأدوية، وتسهّل الطب الشخصي، وذلك رهناً بالتعاون المستمر بين التخصصات وجهود التوحيد.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الفضول المستمر بشأن تشكيل وتطوير الأعضاء البشرية على مدار دورة الحياة، بالإضافة إلى تأثير الأمراض وإمكانية الشفاء من خلال العلاجات الدوائية والخلوية. تواجه طرق البحث التقليدية، مثل زراعة الخلايا التقليدية ونماذج الحيوانات، قيودًا كبيرة بسبب اختلاف الأنواع والتباينات في بنية الأعضاء ووظيفتها. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لتطوير نماذج أعضاء بشرية تحاكي البيولوجيا بشكل كبير يمكن أن تسهل الدراسات البيولوجية، ونمذجة الأمراض، واختبار الأدوية، والطب الشخصي.
أدت التقدمات الأخيرة عبر مجالات متعددة، بما في ذلك المواد الحيوية، والكيمياء، والعلوم الحاسوبية، إلى ظهور نماذج مبتكرة للأعضاء على الشرائح (OOC) والأعضاء البشرية (HO). تم تصميم هذه الأنظمة الدقيقة لتكرار المعلمات البيئية الدقيقة الحرجة للأعضاء الحية، مما يجسد فعليًا البيولوجيا التركيبية على مستوى الأعضاء. تتيح OOCs التلاعب الدقيق بالعوامل مثل إجهاد القص، وتدفق السوائل الديناميكي، والضغط الميكانيكي، وتدرجات الأكسجين، وأنماط الإشارة المختلفة، مما يمكّن الباحثين من إنشاء ظروف شبيهة بالأعضاء تحت السيطرة والواقعية لأغراض تجريبية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدمات في تقنيات الأعضاء على الشرائح (OOC)، والأعضاء البشرية الصغيرة (HO)، والأعضاء الصغيرة على الشرائح (OrgOC)، مع التأكيد على أدوارها في نمذجة النظم البيئية الفسيولوجية والمرضية البشرية. تعتبر OOCs أنظمة دقيقة تحاكي هياكل ووظائف الأعضاء، بينما تعتبر HOs تراكيب متعددة الخلايا ثلاثية الأبعاد مشتقة من خلايا جذعية متعددة القدرات أو خلايا جذعية بالغة، قادرة على محاكاة تطوير الأعضاء ووظيفتها. يمثل دمج هذه التقنيات في OrgOCs تطورًا كبيرًا، حيث يجمع بين الدقة العالية لـ HOs والقدرات الوظيفية لـ OOCs لإنشاء نماذج بشرية أكثر تمثيلاً.
أظهرت التطورات الأخيرة في OrgOCs إمكانياتها في تطبيقات طبية حيوية متنوعة، بما في ذلك تطوير الأدوية، ونمذجة الأمراض، والطب الدقيق. تناقش الورقة كيف يمكن أن تعالج OrgOCs القيود المرتبطة بالنماذج التقليدية، مثل التباين العالي ونقص الصلة الفسيولوجية. من خلال استخدام تقنيات متقدمة مثل الميكروفلويديات، والطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد، والذكاء الاصطناعي، يمكن لـ OrgOCs تعزيز القدرة على التنبؤ باستجابات الأدوية وتقليل الاعتماد على نماذج الحيوانات. يستنتج المؤلفون أنه على الرغم من أن OrgOCs ليست قادرة بعد على تكرار الوظائف الأصلية للأعضاء بالكامل، إلا أنها تقدم طرقًا واعدة للبحث والتطبيقات المستقبلية في فهم البيولوجيا البشرية والأمراض.
DOI: https://doi.org/10.7150/thno.90492
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38169573
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Hui Wang et al.
Primary Topic: 3D Printing in Biomedical Research
Overview
The section discusses the innovative integration of human organoids (HOs) and microfluidic organs-on-chips (OOCs) to create human organoids-on-chips (OrgOCs), which serve as advanced 3D models that replicate the physiological and pathological characteristics of human tissues. OrgOCs enhance the modeling of human ecological niches compared to traditional 2D cell cultures and animal models, offering significant potential for clinical applications, disease modeling, and precision medicine. The review highlights the architectural features of OrgOCs and their transformative applications across various biomedical fields, while also addressing the interdisciplinary collaborations necessary to overcome existing challenges in the development and standardization of these models.
In the conclusions, the authors emphasize the potential of OrgOCs to revolutionize the construction of bio-artificial organs by accurately mimicking organ interactions and physiological processes. Current advancements include the recreation of multiple organ systems on microfluidic chips, which can simulate blood circulation and various pathological conditions. However, challenges remain in achieving fully vascularized and immune-integrated organoids. The authors advocate for the incorporation of advanced technologies such as 3D bioprinting and multi-omics to enhance the complexity and functionality of OrgOCs. They foresee a future where OrgOCs can significantly reduce reliance on animal models, improve drug development, and facilitate personalized medicine, contingent upon ongoing interdisciplinary collaboration and standardization efforts.
Introduction
The introduction highlights the longstanding curiosity regarding the formation and development of human organs throughout the life cycle, as well as the impact of diseases and the potential for recovery through drug and cell therapies. Traditional research methods, such as conventional cell cultures and animal models, face significant limitations due to species differences and variations in organ architecture and function. Consequently, there is a pressing need for the development of highly biomimetic human organ models that can facilitate biological studies, disease modeling, drug screening, and personalized medicine.
Recent advancements across various disciplines, including biomaterials, chemistry, and computational sciences, have led to the emergence of innovative organ-on-chip (OOC) and human organ (HO) models. These microphysiological systems are designed to replicate the critical microenvironmental parameters of living organs, effectively embodying organ-level synthetic biology. OOCs allow for precise manipulation of factors such as shear stress, dynamic fluid flow, mechanical tension, oxygen gradients, and various signaling modalities, enabling researchers to create controlled and realistic organ-like conditions for experimental purposes.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the advancements in organ-on-chip (OOC), human organoid (HO), and organoid-on-chip (OrgOC) technologies, emphasizing their roles in modeling human physiological and pathological ecosystems. OOCs are microfluidic systems that replicate organ structures and functions, while HOs are 3D multicellular constructs derived from pluripotent or adult stem cells, capable of mimicking organ development and function. The integration of these technologies into OrgOCs represents a significant evolution, combining the high fidelity of HOs with the functional capabilities of OOCs to create more representative human organ models.
Recent developments in OrgOCs have demonstrated their potential in various biomedical applications, including drug development, disease modeling, and precision medicine. The paper discusses how OrgOCs can address limitations associated with traditional models, such as high heterogeneity and lack of physiological relevance. By utilizing advanced techniques like microfluidics, 3D bioprinting, and artificial intelligence, OrgOCs can enhance the predictability of drug responses and reduce reliance on animal models. The authors conclude that while OrgOCs are not yet fully capable of replicating native organ functionality, they offer promising avenues for future research and applications in understanding human biology and disease.