MainConventional two-dimensional (2

Main
Conventional two-dimensional (2D) cell cultures were developed almost a century ago1. Despite their demonstrated value in biomedical research, they cannot support the tissue-specific, differentiated functions of many cell types or accurately predict in vivo tissue functions and drug activities2. These limitations have led to increased interest in more complex 2D models, such as those that incorporate multiple cell types or involve cell patterning, and in three-dimensional (3D) models, which better represent the spatial and chemical complexity of living tissues. 3D cell cultures, developed over 50 years ago3, usually rely on hydrogels, composed of either natural extracellular matrix (ECM) molecules or synthetic polymers, which induce cells to polarize and to interact with neighboring cells. They can take many forms, including cells randomly interspersed in ECM or clustered in self-assembling cellular microstructures known as organoids. 3D models have been very useful for studying the molecular basis of tissue function and better capture signaling pathways and drug responsiveness in some disease states compared with 2D models4, 5, 6, 7. Nonetheless, they also have limitations. For example, organoids are highly variable in size and shape, and it is difficult to maintain cells in consistent positions in these structures for extended analysis. Another drawback of 3D models is that functional analysis of entrapped cells—for example, to quantify transcellular transport, absorption or secretion—is often hampered by the difficulty of sampling luminal contents, and it is difficult to harvest cellular components for biochemical and genetic analysis. In addition, many systems lack multiscale architecture and tissue-tissue interfaces, such as the interface between vascular endothelium and surrounding connective tissue and parenchymal cells, which are crucial to the function of nearly all organs. Furthermore, cells are usually not exposed to normal mechanical cues, including fluid shear stress, tension and compression, which influence organ development and function in health and disease8, 9. The absence of fluid flow also precludes the study of how cultured cells interact with circulating blood and immune cells.

Microfluidic organs-on-chips offer the possibility of overcoming all of these limitations. In this Perspective, we discuss the value of this new approach to scientists in basic and applied research. We also describe the technical challenges that must be overcome to develop organs-on-chips into robust, predictive models of human physiology and disease, and into tools for drug discovery and development.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

หลักConventional two-dimensional (2D) cell cultures were developed almost a century ago1. Despite their demonstrated value in biomedical research, they cannot support the tissue-specific, differentiated functions of many cell types or accurately predict in vivo tissue functions and drug activities2. These limitations have led to increased interest in more complex 2D models, such as those that incorporate multiple cell types or involve cell patterning, and in three-dimensional (3D) models, which better represent the spatial and chemical complexity of living tissues. 3D cell cultures, developed over 50 years ago3, usually rely on hydrogels, composed of either natural extracellular matrix (ECM) molecules or synthetic polymers, which induce cells to polarize and to interact with neighboring cells. They can take many forms, including cells randomly interspersed in ECM or clustered in self-assembling cellular microstructures known as organoids. 3D models have been very useful for studying the molecular basis of tissue function and better capture signaling pathways and drug responsiveness in some disease states compared with 2D models4, 5, 6, 7. Nonetheless, they also have limitations. For example, organoids are highly variable in size and shape, and it is difficult to maintain cells in consistent positions in these structures for extended analysis. Another drawback of 3D models is that functional analysis of entrapped cells—for example, to quantify transcellular transport, absorption or secretion—is often hampered by the difficulty of sampling luminal contents, and it is difficult to harvest cellular components for biochemical and genetic analysis. In addition, many systems lack multiscale architecture and tissue-tissue interfaces, such as the interface between vascular endothelium and surrounding connective tissue and parenchymal cells, which are crucial to the function of nearly all organs. Furthermore, cells are usually not exposed to normal mechanical cues, including fluid shear stress, tension and compression, which influence organ development and function in health and disease8, 9. The absence of fluid flow also precludes the study of how cultured cells interact with circulating blood and immune cells.Microfluidic อวัยวะ-บนชิมีความเป็นไปได้ของการเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ทั้งหมด ในมุมมองนี้ เราหารือค่าของวิธีการใหม่นี้นักวิทยาศาสตร์ในการวิจัยพื้นฐาน และประยุกต์ นอกจากนี้เรายังกล่าวถึงความท้าทายทางเทคนิคที่จะต้องเอาชนะเพื่อพัฒนาอวัยวะบนชิปรุ่นทนทาน ทำนายโรคและสรีรวิทยาของมนุษย์ และเครื่องมือสำหรับการค้นพบยาเสพติดและการพัฒนา

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

หลักแบบสองมิติ ( 2D ) เซลล์วัฒนธรรมมีการพัฒนาเกือบศตวรรษ ago1 . แม้พวกเขาแสดงให้เห็นถึงคุณค่าในการวิจัยทางการแพทย์ พวกเขาไม่สามารถสนับสนุนการทำงานของ tissue-specific ความแตกต่างหลายรูปแบบของเซลล์หรือเนื้อเยื่อและทำนายถูกต้องโดยฟังก์ชันยา activities2 . ข้อ จำกัด เหล่านี้ได้นำไปสู่การเพิ่มความสนใจในรูปแบบ 2 มิติที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ที่รวมหลายประเภทของเซลล์หรือเกี่ยวข้องกับเซลล์แบบสามมิติ ( 3D ) และในรูปแบบซึ่งดีกว่าแสดงพื้นที่และความซับซ้อนของชีวิตทางเนื้อเยื่อ 3D เซลล์วัฒนธรรม พัฒนากว่า 50 ปี ago3 มักจะพึ่งพาไฮโดรเจล ประกอบด้วยทั้งธรรมชาติและ Matrix ( ECM ) โมเลกุลหรือโพลิเมอร์สังเคราะห์ซึ่งก่อให้เกิดเซลล์ที่แบ่งเป็นฝ่ายและโต้ตอบกับเซลล์ข้างเคียง พวกเขาได้หลายรูปแบบ รวมทั้งเซลล์สุ่มสลับใน ECM หรือเป็นกลุ่มในตนเองประกอบเซลล์ และรู้จักกันเป็น organoids . โมเดล 3 มิติได้รับประโยชน์มากในการศึกษาพื้นฐานโมเลกุลของฟังก์ชันและการจับสัญญาณเซลล์เนื้อเยื่อที่ดีและการตอบสนองของยาในบางโรค รัฐ เมื่อเทียบกับ models4 2 , 5 , 6 , 7 กระนั้น ก็ยังมีข้อจำกัด ตัวอย่างเช่น organoids มีตัวแปรในขนาดและรูปร่าง และมันเป็นเรื่องยากที่จะรักษาเซลล์ในตำแหน่งที่สอดคล้องกันในโครงสร้างเหล่านี้ขยายการวิเคราะห์ ข้อเสียเปรียบอีกแบบ 3D คือ การวิเคราะห์การทำงานของกักเซลล์ตัวอย่าง ปริมาณการขนส่ง transcellular การดูดซึมหรือการหลั่งมักจะถูกขัดขวางโดยความยาก + เนื้อหา ) , และมันเป็นเรื่องยากที่จะเก็บเกี่ยวในการวิเคราะห์องค์ประกอบทางชีวเคมี และทางพันธุกรรม นอกจากนี้ หลายระบบสถาปัตยกรรมและเนื้อเยื่อเนื้อเยื่อ multiscale ขาดการเชื่อมต่อ เช่น อินเทอร์เฟซระหว่างวุฒิสภาและบริเวณโดยรอบ และ parenchymal เซลล์เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน ซึ่งสำคัญต่อการทำงานของเกือบทุกอวัยวะ นอกจากนี้ เซลล์มักจะไม่เปิดเผยตัว เครื่องจักรกลของไหลปกติ รวมถึงแรงเฉือนความเครียดความตึงเครียดและการบีบอัด ซึ่งมีอิทธิพลต่อพัฒนาการของอวัยวะและหน้าที่ในสุขภาพและ disease8 , 9 การขาดการไหลของของไหลและ precludes การศึกษาวิธีเพาะเลี้ยงเซลล์โต้ตอบกับหมุนเวียนโลหิตและเซลล์ภูมิคุ้มกันอวัยวะไมโครฟลูอิดิกชิปเสนอความเป็นไปได้ของการเอาชนะทั้งหมดของข้อ จำกัด เหล่านี้ ในมุมมองนี้เราหารือเกี่ยวกับค่าของวิธีการใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์ในพื้นฐานและการวิจัยประยุกต์ นอกจากนี้เรายังอธิบายเทคนิคความท้าทายที่ต้องฟันฝ่าเพื่อพัฒนาอวัยวะบนชิปเป็นเสถียรภาพ แบบจำลองเพื่อทำนายสรีรวิทยาของมนุษย์และโรค และเป็นเครื่องมือสำหรับการค้นพบและพัฒนายา