Intestine-on-a-chip
ઇન્ટેસ્ટાઈન-ઓન-એ-ચિપ (ગટ-ઓન-એ-ચિપ, મિની-ઇન્ટેસ્ટાઈન) એ વાસ્તવિક અંગના માઇક્રોફ્લુઇડિક બાયોએન્જિનિયર્ડ 3ડી-મોડલ છે, જે પરંપરાગત 3ડી ઇન્ટેસ્ટિનલ ઓર્ગેનોઇડ કલ્ચર કરતાં વધુ સારી રીતે શારીરિક લાક્ષણિકતાઓની નકલ કરે છે. વિવિધ આંતરડા-પર-એક-ચિપ મોડેલ પ્રણાલીઓ વિકસાવવામાં આવી છે અને શુદ્ધ કરવામાં આવી છે, જે તમામ તેમની વ્યક્તિગત શક્તિ અને નબળાઈઓને જાળવી રાખે છે અને સામૂહિક રીતે આ પ્રણાલીઓને દવા પરીક્ષણ અને વ્યક્તિગત દવા માટે વિશ્વસનીય ઉચ્ચ-થ્રુપુટ પ્લેટફોર્મ તરીકે સ્થાપિત કરવાના અંતિમ લક્ષ્ય માટે મહાન વચન ધરાવે છે. આંતરડા એ એક અત્યંત જટિલ અંગ પ્રણાલી છે જે પોષક તત્ત્વોના પાચન અને શોષણ, હોર્મોનના સ્ત્રાવ અને રોગપ્રતિકારક પ્રક્રિયાઓથી માંડીને ચેતાકોષીય પ્રવૃત્તિ સુધીના વિવિધ મહત્વપૂર્ણ કાર્યો કરે છે, જે ઇન વિટ્રો મોડેલને ખાસ કરીને પડકારજનક બનાવે છે. પરંપરાગત આંતરડાના નમૂનાઓ પરંપરાગત આંતરડાના નમૂનાઓ, જેમ કે અમર કોષ રેખાઓના પરંપરાગત 2D કોષ સંવર્ધન (દા. ત. આંતરડામાં વધુ સારી (પેથો-) શારીરિક પ્રક્રિયાઓને સમજવા માટે સી. એ. સી. ઓ. 2 અથવા એચ. ટી. 29), ટ્રાન્સવેલ કલ્ચર્સ, યુઝિંગ ચેમ્બર અને એવર્ટેડ આંતરડાના કોથળીઓનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. જો કે, ઘણા આંતરડાના કાર્યોને પુનરાવર્તિત કરવું અને આવા સરળ મોડેલોનો ઉપયોગ કરીને અભ્યાસ કરવો મુશ્કેલ છે. આમ, આ પ્રણાલીઓનું અનુવાદાત્મક અને પ્રાયોગિક મૂલ્ય મર્યાદિત છે. 2009 માં, આંતરડાના ઓર્ગેનોઇડ્સનો વિકાસ આંતરડાના પેશીઓના ઈન વિટ્રો મોડેલિંગમાં એક સીમાચિહ્નરૂપ બન્યો. આંતરડાના ઓર્ગેનોઇડ્સ ઇન વિવો સ્ટેમ સેલની નકલ કરે છે કારણ કે આંતરડાના સ્ટેમ કોશિકાઓ સ્વયંભૂ આંતરડાના ઉપકલાના લાક્ષણિક ક્રિપ્ટ-વિલસ આર્કિટેક્ચરનું પ્રતિનિધિત્વ કરતી બાહ્ય-મુખવાળી કળીઓ સાથે બંધ, સિસ્ટિક મિની-પેશીને જન્મ આપે છે. આંતરડાના ઓર્ગેનોઇડ્સમાં આંતરડાના ઉપકલાના તમામ વિવિધ પ્રકારના કોષો હોઈ શકે છે, દા. ત. એન્ટરોસાઇટ્સ, ગોબ્લેટ કોષો, પેનેથ કોષો અને એન્ટેરોએન્ડોક્રાઇન કોષો. પેશી સ્થાપત્ય અને કોષ-પ્રકારની રચનાની સચોટ રજૂઆત સાથે, ઓર્ગેનોઇડ્સ મૂળ પેશીઓ સાથે મુખ્ય કાર્યાત્મક સમાનતાઓ પણ પ્રદર્શિત કરે છે. વધુમાં, સંવર્ધનમાં તેમની લાંબા ગાળાની સ્થિરતા, તંદુરસ્ત અને રોગગ્રસ્ત મૂળમાંથી વ્યુત્પત્તિ અને આનુવંશિક હેરફેરની શક્યતાઓ આંતરડાના ઓર્ગેનોઇડ્સને કાર્યાત્મક અભ્યાસ અને રોગ મોડેલિંગ માટેના મંચ તરીકે મોટા ફેલાવા માટે ઉપયોગી છતાં સરળ મોડેલ બનાવે છે. તેમ છતાં, કેટલીક મર્યાદાઓ આંતરડાના નમૂના તરીકે તેમની ઉપયોગિતાને પ્રતિબંધિત કરે છે. પ્રથમ અને અગ્રણી, ઓર્ગેનોઇડ્સનું બંધ સિસ્ટિક માળખું તેમની આંતરિક (એપિકલ) સપાટીને અપ્રાપ્ય બનાવે છે, અને એપિકલ અને બેસોલેટરલ બાજુઓની અલગ સારવાર કરે છે-અને આમ પરિવહન અભ્યાસ-અત્યંત બોજારૂપ છે. વધુમાં, આ બંધ સિસ્ટીક માળખું સૂચવે છે કે આંતરડાના ઓર્ગેનોઇડ્સ તેમના લ્યુમેનમાં મૃત કોષોને એકઠા કરે છે જે ઓર્ગેનોઇડ્સ પર અવકાશી તાણ મૂકે છે, આમ યાંત્રિક વિક્ષેપ અને માર્ગ દ્વારા વિક્ષેપ વિના લાંબા સમય સુધી અવિરત ઓર્ગેનોઇડ સંવર્ધનને અવરોધે છે. વધુમાં, આંતરડાના ઓર્ગેનોઇડ સંસ્કૃતિઓ તેમના 3D સંવર્ધન વાતાવરણમાં એક ઓર્ગેનોઇડ વચ્ચેના મજબૂત પરિવર્તનશીલ કદ, આકારો, આકારવિજ્ઞાન અને સ્થાનિકીકરણથી પીડાય છે. આંતરડાના-પર-એક-ચિપ મોડેલો જો કે ઓર્ગેનોઇડ્સને સામાન્ય રીતે લઘુચિત્ર અંગો તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તેમ છતાં તેમાં અંગ-સ્તરની જટિલતાની નકલ કરવા માટે મહત્વપૂર્ણ લક્ષણોનો અભાવ હોય છે. આ કારણોસર, બાયોફેબ્રિકેટેડ ઉપકરણો વિકસાવવામાં આવ્યા છે, જે ઓર્ગેનોઇડ મર્યાદાઓને વટાવી જાય છે. ખાસ કરીને માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણો અંગોના ઈન વિટ્રો મોડેલ્સ માટે પ્લેટફોર્મ તરીકે મોટી સંભાવના ધરાવે છે, કારણ કે તેઓ પેશીઓમાં રક્ત પરિભ્રમણના કાર્યની નકલ કરતા પરફ્યુઝનને સક્ષમ કરે છે. પ્રવાહી પ્રવાહ ઉપરાંત, અન્ય સંવર્ધન પરિમાણો આંતરડાના-પર-એક-ચિપ ઉપકરણોમાં સમાવિષ્ટ કરવામાં આવે છે, જેમાં સ્થાપત્ય સંકેતો, યાંત્રિક ઉત્તેજના, ઓક્સિજનના ઘટકો અને અન્ય કોષોની વસ્તી અને સૂક્ષ્મજીવ સાથે સહ-સંવર્ધનનો સમાવેશ થાય છે, જેથી વાસ્તવિક અંગની શારીરિક વર્તણૂકને વધુ સચોટ રીતે પ્રદર્શિત કરી શકાય. માઇક્રોફ્લુઇડિક્સ પરંપરાગત સ્થિર કોષ સંવર્ધનની વિરુદ્ધ, માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણોમાં, પ્રવાહી પ્રવાહ બનાવી શકાય છે, જે શારીરિક પ્રવાહી પ્રવાહ પેટર્નની નજીકથી નકલ કરે છે. પ્રવાહી પ્રવાહ કોષની સપાટી પર શારીરિક શીયર સ્ટ્રેસ રજૂ કરે છે, પોષક તત્ત્વો અને વૃદ્ધિ પરિબળોની એપિકલ ડિલિવરી રજૂ કરે છે અને રાસાયણિક ઢાળની સ્થાપનાને સક્ષમ કરે છે, દા. ત. વૃદ્ધિ પરિબળો, જે યોગ્ય અંગ વિકાસ માટે મહત્વપૂર્ણ છે. એકંદરે, માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણો અંગ-વિશિષ્ટ માઇક્રોએન્વાયરમેન્ટ પર નિયંત્રણમાં વધારો કરે છે, જે વધુ ચોક્કસ નમૂનાઓ માટે પરવાનગી આપે છે. આંતરડા-પર-એક-ચિપ ઉપકરણોમાં માઇક્રોફ્લુઇડિક પ્રવાહ રજૂ કરવા માટે વિવિધ તકનીકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે, જેમાં પેરિસ્ટાલ્ટિક પંપ, સિરીંજ પંપ, પ્રેશર જનરેટર અને હાઇડ્રોસ્ટેટિક દબાણ અને ગુરુત્વાકર્ષણ દ્વારા સંચાલિત પમ્પલેસ સિસ્ટમ્સનો સમાવેશ થાય છે. ગુરુત્વાકર્ષણ-સંચાલિત માઇક્રોફ્લુઇડિક ઇન્ટેસ્ટાઇન-ઓન-એ-ચિપ ઉપકરણનું ઉદાહરણ મિમેટાસ દ્વારા ઓર્ગેનોપ્લેટ પ્લેટફોર્મ છે, જેનો ઉપયોગ બ્યુરિવેજ એટ અલ દ્વારા બળતરા આંતરડાના રોગ માટે રોગ મોડેલ તરીકે કરવામાં આવ્યો છે. યાંત્રિક ઉત્તેજના ગર્ભ વિકાસના પ્રારંભિક તબક્કાઓથી લઈને જન્મ પછીના જીવન સુધી આંતરડા સતત યાંત્રિક શક્તિઓની વિશાળ શ્રેણીના સંપર્કમાં રહે છે. પેરિસ્ટાલિસિસ, આંતરડાની સામગ્રીનું અનૈચ્છિક અને ચક્રીય પ્રોપલ્શન, પાચન પ્રક્રિયાનો એક આવશ્યક ભાગ છે. તે ખોરાકના પાચન, પોષક તત્ત્વોનું શોષણ અને આંતરડાને મેક્રો સ્કેલ પર ખાલી કરવાની સુવિધા આપે છે અને માઇક્રો સ્કેલ પર આંતરડાના ઉપકલા પર શીયર સ્ટ્રેસ અને રેડિયલ દબાણ લાગુ કરે છે. ખાસ કરીને, યાંત્રિક પરિબળો આંતરડાના વિકાસ અને હોમિયોસ્ટેસિસને પ્રભાવિત કરે છે, જેમ કે આંતરડાની લૂપિંગ, વિલી રચના અને ગુપ્ત સ્થાનિકીકરણ. વધુમાં, માનવ આંતરડામાં યાંત્રિક ઉત્તેજનાની લાંબી ગેરહાજરી આંતરડાની બીમારી સાથે સંકળાયેલી છે. એક અગ્રણી ઉદાહરણ જ્યાં પેરિસ્ટાલિસિસ અને માઇક્રોફ્લુઇડિક પ્રવાહના સ્વરૂપમાં યાંત્રિક ઉત્તેજના બંનેનો સંયોજનમાં ઉપયોગ થાય છે તે એમુલેટ ઇન્ટેસ્ટાઇન-ઓન-એ-ચિપ સિસ્ટમ છે. આ પ્રણાલીમાં દ્વિ-માર્ગીય કેન્દ્રીય કોષ સંવર્ધન માઇક્રોચેનલનો સમાવેશ થાય છે, જે છિદ્રાળુ, બાહ્યકોષીય મેટ્રિક્સ-કોટેડ, પી. ડી. એમ. એસ. પટલ દ્વારા અલગ પડે છે, જે ઉપલા અને નીચલા માઇક્રોચેનલમાં બે અલગ અલગ કોષોની વસ્તીના અલગ સંવર્ધનને મંજૂરી આપે છે. કેન્દ્રીય ચેમ્બર સમાંતર ચાલતા બે વેક્યૂમ ચેમ્બરથી ઘેરાયેલું છે. વેક્યૂમનો ઉપયોગ પેરિસ્ટાલ્ટિક ગતિની નકલ કરવા માટે ચેનલોને અલગ કરતા છિદ્રાળુ પટલના ચક્રીય એકદિશાત્મક વિસ્તરણને મંજૂરી આપે છે. સ્થાપત્ય સંકેતો પરંપરાગત ઓર્ગેનોઇડ સંવર્ધનની જેમ, પેશીના માઇક્રોએનાટોમીની વધુ સારી રજૂઆત માટે ત્રીજા સંવર્ધન પરિમાણની રજૂઆત કરવી મહત્વપૂર્ણ છે. 3D કોષ સંવર્ધન વધુ શારીરિક રીતે સુસંગત બાયોકેમિકલ અને યાંત્રિક સંકેતોનો અમલ કરે છે, તેથી 3D સંવર્ધન સામાન્ય રીતે વધુ સારી કોષ સદ્ધરતા અને વધુ શારીરિક ટ્રાન્સક્રિપ્ટોમ અને પ્રોટીઓમ પ્રાપ્ત કરે છે. વધુમાં, પેશી હોમિયોસ્ટેસિસ પ્રક્રિયાઓ જેમ કે પ્રસાર, તફાવત અને કોષના મૃત્યુને વધુ શારીરિક રીતે રજૂ કરવામાં આવે છે. સેલ કલ્ચરનો 3D આધાર સામાન્ય રીતે હાઇડ્રોજેલ્સ પર આધારિત હોય છે, જે મૂળ બાહ્યકોષીય મેટ્રિક્સની નકલ કરે છે. કોષોને કાં તો હાઇડ્રોજેલમાં જડિત કરી શકાય છે અથવા પૂર્વવ્યાખ્યાયિત માઇક્રો-એન્જિનિયર્ડ હાઇડ્રોજેલ સપાટી પર ઉગાડી શકાય છે. 3ડી આંતરડાની પ્રણાલીઓ માટે સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું હાઇડ્રોજેલ મેટ્રિગલ છે, જે માઉસ સાર્કોમામાંથી દ્રાવ્ય ભોંયરામાં પટલનો અર્ક છે. જો કે, મેટ્રિગલમાં ઝેનોજેનિક મૂળ, બાથ-ટુ-બેચ પરિવર્તનશીલતા, ઊંચી કિંમત અને નબળી વ્યાખ્યાયિત રચના જેવા નોંધપાત્ર ગેરફાયદા છે. જેમ જેમ આ પરિબળો ક્લિનિકલ અનુવાદમાં અવરોધ ઊભો કરે છે, તેમ તેમ 3D આંતરડાના નમૂનાઓમાં અન્ય હાઇડ્રોજેલનો વધુને વધુ ઉપયોગ થાય છે, જેમાં ફાઇબ્રિન, કોલેજન, હાયલ્યુરોનિક એસિડ અને PEG-આધારિત કૃત્રિમ હાઇડ્રોજેલનો સમાવેશ થાય છે. ટીશ્યુ એન્જિનિયરિંગમાં, માઇક્રોફેબ્રિકેશન તકનીકો નિર્ણાયક મહત્વની છે, ખાસ કરીને ટીશ્યુ માઇક્રોએન્વાયરમેન્ટના મોડેલિંગમાં. માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણની રચના અને બનાવટ ઉપરાંત, માઇક્રોફેબ્રિકેશન તકનીકોનો ઉપયોગ 3D માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર્સ બનાવવા માટે પણ થાય છે, જે મૂળ પેશીઓની ભૌગોલિક રચના જેવી જ કોષ સંવર્ધન સપાટીઓની પેટર્નને મંજૂરી આપે છે, એટલે કે. ક્રિપ્ટ-વિલસ-અક્ષ. આર્કિટેક્ચરલ સંકેતો પર આધાર રાખતી આંતરડા-પર-એક-ચિપ પ્રણાલીનું એક અગ્રણી ઉદાહરણ નિકોલેવ એટ અલ દ્વારા હોમિયોસ્ટેટિક મિની-આંતરડા છે. તેઓ હાઇડ્રોજેલ ચેમ્બર સાથે માઇક્રોફેબ્રિકેટેડ આંતરડાના-ઓન-એ-ચિપ ઉપકરણોનો ઉપયોગ કરે છે. કોલેજન-મેટ્રિગલ-મિક્સ હાઇડ્રોજેલ ગુપ્ત રચનાઓ સાથે નળીઓવાળું આંતરડાના લ્યુમેન માટે માઇક્રોચેનલ પેદા કરવા માટે લેસર-એબ્લેટેડ છે. આ ઉપકરણમાં આંતરડાના સ્ટેમ કોશિકાઓની સંસ્કૃતિ ક્રિપ્ટ-વિલસ ડોમેન્સની શારીરિક અવકાશી વ્યવસ્થા સાથે કાર્યાત્મક ઉપકલામાં તેમના સ્વ-સંગઠનમાં પરિણમે છે. આ લઘુ-આંતરડા લાંબા ગાળાના સંવર્ધન માટે પરવાનગી આપે છે અને દુર્લભ આંતરડાના કોષ પ્રકારોને જન્મ આપે છે જે સામાન્ય રીતે અન્ય 3D મોડેલોમાં જોવા મળતા નથી. આંતરડાના-ઓન-એ-ચિપ મોડેલોના આર્કિટેક્ચરલી સંચાલિત મોર્ફોજેનેસિસ માટેનું બીજું ઉદાહરણ એ છે કે જોરેવસ્કી એટ અલ દ્વારા પ્રકાશિત સપાટીની પેટર્ન તકનીકો, તેઓએ આંતરડાના ઓર્ગેનોઇડ ભૂમિતિ, કદ અને કોષ વિતરણને પુનઃઉત્પાદિત કરવા માટે હાઇડ્રોજેલ સપાટીઓને પેટર્ન કરવા માટે માઇક્રોફેબ્રિકેટેડ ઉપકરણો વિકસાવ્યા. આ ઉદાહરણો દર્શાવે છે કે, બાહ્ય માર્ગદર્શિત મોર્ફોજેનેસિસ સાથેની આંતરડાની-પર-એક-ચિપ પ્રણાલીઓ સિગ્નલિંગ ઢાળના અવકાશી અને અસ્થાયી નિયંત્રણને સક્ષમ કરે છે અને આંતરડાના મોર્ફોજેનેસિસ, સ્ટેમ સેલ જાળવણી, ગુપ્ત ગતિશીલતા અને ઉપકલા પુનર્જીવનનો વ્યાપક અભ્યાસ કરવા માટે એક મંચ પ્રદાન કરી શકે છે. સહ-સંવર્ધન તંદુરસ્ત આંતરડામાં વિવિધ કાર્યોની વિશાળ શ્રેણી હોય છે, જેને પૂર્ણ કરવા માટે વિવિધ પ્રકારના કોષોના વિશાળ સમૂહની જરૂર પડે છે. પ્રાથમિક આંતરડાના કાર્ય, પોષક તત્ત્વોનું શોષણ, માટે આંતરડાના ઉપકલા અને લોહી અને લસિકા એન્ડોથેલિયલ કોષો વચ્ચે ગાઢ સંપર્કની જરૂર પડે છે. વધુમાં, આંતરડાના માઇક્રોબાયોટા ખોરાકના પાચનમાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે, જે વિશ્વસનીય રોગપ્રતિકારક સંરક્ષણને અનિવાર્ય બનાવે છે. વધુમાં, સ્નાયુ અને ચેતા કોષો પેરિસ્ટાલિસિસ અને તૃપ્તિનું નિયંત્રણ કરે છે. છેવટે, મેસેનકાઇમલ કોષો આંતરડાના સ્ટેમ સેલ જગ્યાના આવશ્યક ઘટકો છે કારણ કે તેઓ શારીરિક ટેકો પૂરો પાડે છે અને વૃદ્ધિ પરિબળોને સ્ત્રાવ કરે છે. આમ, આંતરડાના કાર્યોના વિવિધ પાસાઓને પર્યાપ્ત રીતે મોડેલ કરવા માટે આંતરડાના-પર-એક-ચિપ પ્રણાલીઓમાં વિવિધ પ્રકારના કોષોનો સમાવેશ કરવો મહત્વપૂર્ણ છે. આંતરડાના ઉપકલા અને આંતરડાના-પર-એક-ચિપ પ્રણાલીઓમાં માઇક્રોબાયોટા સહ-સંવર્ધન માટે પ્રથમ પગલાં લેવામાં આવ્યા હતા. ઉદાહરણોમાં ઇમ્યુલેટ ઇન્ટેસ્ટાઇન-ઓન-એ-ચિપ સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને આંતરડાના શિગેલ્લા ફ્લેક્સનેરી ચેપ માટે ઈન વિટ્રો મોડેલની સ્થાપના અથવા એરોબિક અને એનારોબિક બંને પ્રજાતિઓ સાથે જટિલ મળ-વ્યુત્પન્ન માઇક્રોબાયોટા વસ્તીનું મનોરંજન છે. તેવી જ રીતે, સંશોધકોએ પેરિફેરલ બ્લડ મોનોન્યુક્લિયર કોશિકાઓ, મોનોસાયટ્સ, મેક્રોફેજ અથવા ન્યુટ્રોફિલ્સ સાથે આંતરડાના ઉપકલાને સહ-સંવર્ધન કરીને આંતરડાના-ઓન-એ-ચિપ પ્રણાલીઓમાં રોગપ્રતિકારક ક્ષમતા ધરાવતા આંતરડાના ઉપકલાને ફરીથી બનાવવાનો પ્રયાસ કર્યો છે. વધુમાં, ઉપકલા-એન્ડોથેલિયલ ઇન્ટરફેસને છિદ્રાળુ પટલની વિરુદ્ધ બાજુએ એન્ડોથેલિયલ મોનોલેયર્સ અને આંતરડાના ઉપકલાને સંવર્ધિત કરીને વિવિધ પ્રણાલીઓમાં મોડેલિંગ કરવામાં આવ્યું છે. આંતરડાના કોષોને અન્ય કોષ પ્રકારો સાથે સહ-સંવર્ધન કરવા ઉપરાંત, આંતરડાના ઉપકલાની કોષ વસ્તી પણ ઉચ્ચ સુસંગતતા ધરાવે છે. જ્યારે કેટલાક બદલે સરળ અભિગમો આંતરડાના ઉપકલા માટે કોષ સ્ત્રોત તરીકે અમર કોષ રેખાઓનો ઉપયોગ કરે છે, ત્યાં ઓર્ગેનોઇડ-વ્યુત્પન્ન આંતરડાના સ્ટેમ કોશિકાઓના ઉપયોગ તરફ સ્થળાંતર છે, જે વધુ શારીરિક કોષ પ્રકારની રચના સાથે આંતરડાના ઉપકલાની વ્યુત્પત્તિને મંજૂરી આપે છે. સંદર્ભો વીડિયો સાથે MIMETAS ઓર્ગેનોપ્લેટ પ્લેટફોર્મને બાહ્ય લિંક્સઃ https://www.mimetas.com/en/perfused-tubules AMULATE ડ્યુઓડેનમ ઇન્ટેસ્ટાઇન-ચિપઃ https://emulatebio.com/duodenum-intestine-chip હોમિયોસ્ટેટિક મિની-ઇન્ટેસ્ટાઇન વીડિયોઃ https://www.youtube.com/watch?v=IHKuri9sFEM&list=PLdV2S7pxgq9ZY1IBzIRJxDlq-lNKClsnW માઇક્રોફ્લુઇડિક્સ બાયોટેકનોલોજી ટિશ્યુ એન્જિનિયરિંગ