שבבים מיקרופלואידיים מקדמים את מחקר המחלות הנוירודגנרטיביות

מאמר סקירה שפורסם בכתב העת תקשורת טבע מספק סקירה מפורטת של ההתפתחויות האחרונות במודלים של שבבים מיקרו-נוזליים למחלות נוירודגנרטיביות.

מחקר: נוירופתוגנזה-על-שבבים למחלות נוירודגנרטיביות. קרדיט תמונה: luchschenF / Shutterstock

רקע כללי

ההתקדמות האחרונה במדע הרפואה הגדילה משמעותית את תוחלת החיים של בני אדם, והובילה לעלייה הדרגתית נוירופתוגנזה-על-שבבים למחלות נוירו-דגנרטיביות נוירופתוגנזה-על-שבבים למחלות נוירו-דגנרטיביות באוכלוסייה המזדקנת ברחבי העולם. זה מלווה בעלייה נלווית בשכיחות של מחלות ניווניות הקשורות לגיל, לרבות מחלת אלצהיימר, מחלת פרקינסון, מחלת הנטינגטון וטרשת צדדית אמיוטרופית.

מחלות ניווניות נוירו-דגנרטיביות משפיעות בעיקר על היכולות הקוגניטיביות וההתנהגותיות של מבוגרים. עם הצטברות של חלבונים לא מתפקדים כגורם ההתחלתי העיקרי, מחלות אלו חולקות כמה מאפיינים פתוגניים משותפים, כולל אובדן נוירוני ספציפי, גליוזיס, דלקת עצבית, מתח חמצוני, תפקוד לקוי של המיטוכונדריה ונזק מוקדם לכלי הדם.

למרות ההתקדמות במדע הרפואה, פיתוח התערבויות אבחנתיות וטיפוליות למחלות נוירודגנרטיביות נותר משימה מאתגרת בגלל הפתוגנזה הרב-פקטוריאלית המורכבת שמתקדמת בהדרגה.

איברים מיקרו-נוזליים או אורגנואידים-על-שבבים סיפקו הזדמנות ייחודית לשחזר בניסוי אלמנטים קריטיים של אזורי מוח שונים הקשורים למחלות ניווניות. מערכות ממוזערות אלו יכולות לשמש לחקר פתוגנזה של מחלות, פיתוח תרופות, בדיקת תרופות ומטרות מחקר ביו-רפואי ראשוני.

עיצוב שבב מיקרופלואידי

'תא קמפנות', מדור בַּמַבחֵנָה system, היה יישום השבבים המיקרו-נוזליים הראשון לחקר המוח. עם שני חדרים מופרדים בצורה נוזלית, מכשיר זה משמש לחקר ההשפעות של גורמי גדילה עצביים על הצמיחה האקסונלית. מאוחר יותר, מדענים המציאו מספר מערכות ממוזערות של תאי נוירון-גליה, מחסום הדם-מוח והיחידה הנוירווסקולרית.

שבבים מיקרופלואידיים מכילים בדרך כלל שני חדרים או יותר מופרדים בצורה נוזלית המחוברים באמצעות מיקרו-תעלות, ממברנות נקבוביות או מדריכי פאזה. קשרים אלה נדרשים כדי לשמור על אינטראקציות ישירות או עקיפות בין אוכלוסיות תאים הומוגניות או הטרוגניות המוחזקות בחדרים אלה.

השבב המיקרו-נוזלי המוקדם ביותר עבור המוח תוכנן על ידי הפרדת סומה עצבית מהנויריטים שלו באמצעות מיקרו-ערוצים. תכנון זה שימש לחקר צמיחת עצבים כיוונית. מודלים מתקדמים יותר של מעגלים עצביים פותחו מאוחר יותר על ידי שילוב של מספר חדרים עבור תת אוכלוסיות עצביות.

AD מתאפיינת בהכללה של עמילואיד-β (Aβ) וסבכים נוירו-פיברילריים בנוירונים פירמידליים, בעיקר באזורי ההיפוקמפוס והקורטקס של המוח. ב PD מאופיין על ידי אגרגטים של גוף Lewy המורכבים מ-α-synuclein מקופל שגוי וניוון של נוירונים דופמינרגיים באזור ה-substantia nigra של המוח. ג ALS מאופיין בהכללת חלבון TAR DNA-קושר מוטנטי 43 (TDP-43) וחלבונים אחרים, ניוון של נוירונים מוטוריים בקורטקס המוטורי ובחוט השדרה, וניוון שרירים עם חלבונים לא מתפקדים. ד HD מאופיין על ידי הכללת חלבון Huntingtin מוטנטי (mHTT) וניוון של נוירונים קוצניים בינוניים בגרעיני הבסיס ובקורפוס סטריאטום של המוח. מחלת אלצהיימר AD, ALS amyotrophic lateral sclerosis, גורם נוירוטרופי ממוח שמקורו ב-BDNF, EAL מסלול אנדוזומלי-אוטופגי-ליזומלי, GABA חומצה גמא-אמינו-בוטירית, HD Huntington's disease, PSEN presenilin 1, SNCA synuclein alpha.

שבבים נוירונים נוכחיים מכילים מספר חדרים בקטרים ​​שונים הממוקמים בגיאומטריות שונות. מודלים אלה כוללים גם מיקרו-תעלות עם צורות מעוצבות וזרימת נוזלים מבוקרת. תכונות אלו מאפשרות חיבורים נוירונים עקיפים וישירים, אסימטריים וסימטריים.

ניתן לשלב מערכות משאבה נוספות ולחץ הידרוסטטי פסיבי בשבבים כדי לשלוט בזרימת הנוזל. זה עוזר ליצור מודלים של מחלות על ידי מתן שיפוע של כימיקלים עם ריכוזים משתנים לאורך תאי התא.

ממברנות נקבוביות עם גדלים, מספרים ומיקומים שונים של נקבוביות יכולות לשמש על שבבים כממשק בין חדרים כדי לאפשר אינטראקציות עקיפות המתווכות על ידי כימיקלים מסיסים ומגע פיזי ישיר. עיצוב זה שימש לחיקוי מחסום הדם-מוח על שבבים.

יישום של שבבים מיקרופלואידיים לפתוגנזה של מחלות נוירודגנרטיביות

ניתן להשתמש בשבבים מיקרופלואידיים לשכפול של מספר מערכות אנטומיות ופיזיולוגיות, כולל הצומת הנוירו-שרירי, המסלול הקורטיקוסטריאטלי, חומרה ניגרה, מחסום דם-מוח, מערכת גלימפטית, יחידה נוירווסקולרית וציר מעי-מוח.

כדי לספק רמזים מכניים, מבניים וביוכימיים לתאים, הוצג ג'ל מטריצה ​​חוץ-תאי תלת-ממדית על שבבים, המאפשר לימוד מורפולוגיה של תאים, דפוסי הגירה, העברת אותות וביטוי גנים בהקשר של מחלות ניווניות.

מחלת אלצהיימר-על-צ'יפס

היישום של שבבים מיקרופלואידיים במחקר מחלת אלצהיימר סיפק תובנות חשובות לגבי מאפיינים פתוגניים מובהקים, כולל הצטברות חלבון עמילואיד-בטא וטאו, תפקוד לקוי של המיטוכונדריה ודלקת עצבית.

נעשה שימוש במספר מודלים של נוירונים-על-שבב לחקר התפשטות טאו ורעילות עמילואיד-בטא. על ידי הפרדת הסומה והנויריטים, נוירונים-על-שבב מאפשרים הדמיה בזמן אמת של פרוטאינופתיה.

שבב גרדיאנט עם זרימה בין-סטילית שימש כדי לחקור את ההשפעה של אוליגומרים עמילואיד-ביתא על נוירונים. נדידה בתיווך ציטוקינים דלקתיים של מיקרוגליה לעבר נוירונים ואסטרוציטים של מחלת אלצהיימר נצפתה באמצעות מודל תלת-ממדי סטטי של דלקת עצבית-על-שבב.

מחסום דם-מוח-על-שבב פותח כדי לשחזר באופן מלא את היווצרות רובד עמילואיד, היווצרות סבך נוירו-פיברילרי וחדירות מוגברת של תאי האנדותל במוח.

נוירוספרואיד דינמי-על-שבב פותח על ידי שילוב משאבה אוסמוטית שיוצרת זרימה של עמילואיד-ביתא אקסוגני לחקר ניוון אקסונלי ומוות תאים.

מחלת פרקינסון-על-צ'יפס

מחקרים רבים נערכו באמצעות מחלת פרקינסון-על-שבב כדי לשחזר בעיקר פתוגנזה הקשורה לאלפא-סינוקלאין. התפשטות אלפא-סינוקלאין נחקרה על ידי תרבות משותף של תאי נוירוגליומה המבטאים חלבון ניאון ירוק מתויג אלפא-סינוקלאין.

שבב שיפוע פותח כדי לתפעל את ביטוי אלפא-סינוקלאין תוך תאי בשמרים הכלואים באופן יחיד במערכת עם שיפוע גלקטוז. נוירונים דופמינרגיים-על-שבב פותחו כדי לשחזר תפקוד לקוי של המיטוכונדריה וניוון עצבי שנגרם על ידי מוטציות הקשורות למחלת פרקינסון.

Substantia nigra ושבבי מחסום כלי דם פותחו על ידי תרבות משותף של תאי גזע פלוריפוטנטיים שמקורם בתאי גזע ממוח האמצעי, תאי גליה ראשוניים ותאי אנדותל מיקרו-וסקולריים במוח בחדרים המופרדים על ידי קרום נקבובי. מודל זה שימש לחקר תפקוד לקוי של מחסום דם-מוח-על-שבב, אובדן נוירוני מתקדם, דלקת עצבית ואסטרוגליוזיס.

טרשת צדדית אמיוטרופית על שבבים

יישום של גרדיאנטים כימוטקטיים ונפחיים על טרשת צידית אמיוטרופית על שבבים גרם להיווצרות מוצלחת של אינטראקציות בין נוירונים מוטוריים שעברו מוטציה ב-FUS ומיוטיובים שמקורם במסנגיובלסט דרך מיקרו-ערוצים.

פתולוגיות רבות של טרשת צדדית אמיוטרופית טופלו מחדש על ידי תרבות משותפת של חלבון TAR DNA קושר 43 (TDP-43) עם מוטציה של סיבי נוירון מוטורי וסיבי שריר במצב 3D בין שני חדרים נפרדים.

שבב בן שלושה חדרים פותח ליצירת אינטראקציות מטבוליות בין אסטרוציטים שעברו מוטציה של סופראוקסיד דיסמוטאז ונוירונים בקליפת המוח דרך מיקרו-ערוצים במצב שיפוע של גלוטמט.

פתולוגיה של דנרבציה בשרירים של טרשת צדדית אמיוטרופית נחקרה באמצעות מכשיר צומת נוירו-שרירי פתוח המאפשר תרבית משותף של נוירונים מוטוריים אופטוגנטיים ואסטרוציטים שעברו מוטציה בסופראוקסיד דיסמוטאז ככדורית.

מחלת הנטינגטון על-צ'יפס

פתולוגיות מוקדמות של מחלת פרקינסון נחקרו על ידי יצירת קשרים סינפטיים בין אקסונים קורטיקליים ודנדריטים סטריאטליים דרך מיקרו-ערוצים באורכים שונים ותעלה סינפטית נפרדת.

Corticostriatal on-a-chip פותח כדי לחקור כיצד חלבון האנטינגטין מוטנטי מפחית את ההובלה האקסונלית בקליפת המוח של גורמים נוירוטרופיים שמקורם במוח כדי לעורר ניוון עצבי סטריאטלי.