Intestine-on-a-chip
आंत-पर-एक-चिप (आंत-पर-एक-चिप, मिनी-आंत) वास्तविक अंग के माइक्रोफ्लुइडिक बायोइंजीनियर्ड 3डी-मॉडल हैं, जो पारंपरिक 3डी आंतों के ऑर्गेनोइड कल्चर की तुलना में शारीरिक विशेषताओं की बेहतर नकल करते हैं। विभिन्न प्रकार की आंत-पर-चिप मॉडल प्रणालियों को विकसित और परिष्कृत किया गया है, जिनमें से सभी अपनी व्यक्तिगत ताकत और कमजोरियों को बनाए रखते हैं और सामूहिक रूप से इन प्रणालियों को दवा परीक्षण और व्यक्तिगत चिकित्सा के लिए विश्वसनीय उच्च-थ्रूपुट प्लेटफार्मों के रूप में स्थापित करने के अंतिम लक्ष्य के लिए बहुत बड़ा वादा करते हैं। आंत एक अत्यधिक जटिल अंग प्रणाली है जो पोषक तत्वों के पाचन और अवशोषण, हार्मोन स्राव और प्रतिरक्षात्मक प्रक्रियाओं से लेकर न्यूरोनल गतिविधि तक महत्वपूर्ण कार्यों का एक विविध समूह करती है, जो इसे इन विट्रो मॉडल के लिए विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण बनाती है। पारंपरिक आंत मॉडल पारंपरिक आंतों के मॉडल, जैसे कि अमर कोशिका रेखाओं की पारंपरिक 2डी कोशिका संवर्धन (जैसे। आंत में बेहतर (पैथो-) शारीरिक प्रक्रियाओं को समझने के लिए सी. ए. सी. ओ. 2 या एच. टी. 29), ट्रांसवेल कल्चर, यूसिंग चैंबर्स और एवर्टेड आंत थैली का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। हालांकि, कई आंतों के कार्यों को इस तरह के सरल मॉडल का उपयोग करके पुनरावृत्ति और अध्ययन करना मुश्किल है। इस प्रकार, इन प्रणालियों का अनुवादात्मक और प्रयोगात्मक मूल्य सीमित है। 2009 में, आंतों के ऑर्गेनोइड्स के विकास ने आंतों के ऊतकों के इन विट्रो मॉडलिंग में एक मील का पत्थर चिह्नित किया। आंतों के ऑर्गेनोइड्स इन विवो स्टेम सेल आला की नकल करते हैं क्योंकि आंतों की स्टेम कोशिकाएं स्वचालित रूप से एक बंद, सिस्टिक मिनी-ऊतक को जन्म देती हैं, जिसमें बाहरी-मुखी कलियाँ होती हैं जो आंतों के उपकला की विशेषता क्रिप्ट-विलस वास्तुकला का प्रतिनिधित्व करती हैं। आंतों के ऑर्गेनोइड्स में आंतों के उपकला के सभी विभिन्न प्रकार के कोशिका प्रकार हो सकते हैं, जैसे। एंटरोसाइट्स, गोब्लेट कोशिकाएँ, पैनेथ कोशिकाएँ और एंटरोएंडोक्राइन कोशिकाएँ। ऊतक वास्तुकला और कोशिका-प्रकार संरचना के सटीक प्रतिनिधित्व के साथ, ऑर्गेनोइड्स को देशी ऊतक के लिए प्रमुख कार्यात्मक समानताएं भी प्रदर्शित करने के लिए दिखाया गया है। इसके अलावा, संवर्धन में उनकी दीर्घकालिक स्थिरता, स्वस्थ और रोगग्रस्त मूल से व्युत्पत्ति और आनुवंशिक हेरफेर की संभावनाएं आंतों के ऑर्गेनोइड्स को कार्यात्मक अध्ययन और रोग मॉडलिंग के लिए एक मंच के रूप में बड़े प्रसार के उपयोग के लिए एक उपयोगी लेकिन सरल मॉडल बनाती हैं। फिर भी, कई सीमाएँ आंतों के मॉडल के रूप में उनकी उपयोगिता को सीमित करती हैं। सबसे पहले और सबसे महत्वपूर्ण, ऑर्गेनोइड्स की बंद सिस्टिक संरचना उनकी आंतरिक (एपिकल) सतह को दुर्गम बनाती है, और एपिकल और बेसोलेटरल पक्षों का अलग उपचार-और इस प्रकार परिवहन अध्ययन-अत्यधिक बोझिल है। इसके अलावा, इस बंद सिस्टिक संरचना का तात्पर्य है कि आंतों के ऑर्गेनोइड्स अपने लुमेन में मृत कोशिकाओं को इकट्ठा करते हैं जो ऑर्गेनोइड्स पर स्थानिक तनाव डालते हैं, इस प्रकार यांत्रिक व्यवधान और मार्ग द्वारा व्यवधान के बिना लंबे समय तक अबाधित ऑर्गेनोइड कल्चर को बाधित करते हैं। इसके अलावा, आंतों के ऑर्गेनोइड कल्चर अपने 3डी कल्चर वातावरण में एकल ऑर्गेनोइड्स के बीच दृढ़ता से परिवर्तनशील आकार, आकार, आकृति विज्ञान और स्थानीयकरण से पीड़ित हैं। आंत-पर-एक-चिप मॉडल हालांकि ऑर्गेनोइड्स को आमतौर पर लघु अंगों के रूप में संदर्भित किया जाता है, लेकिन उनमें अंग-स्तर की जटिलता की नकल करने के लिए महत्वपूर्ण विशेषताओं का अभाव होता है। इस कारण से, जैव-निर्मित उपकरण विकसित किए गए हैं, जो ऑर्गेनोइड सीमाओं को पार कर जाते हैं। विशेष रूप से सूक्ष्म तरल उपकरण अंगों के इन विट्रो मॉडल के लिए मंच के रूप में बहुत अधिक क्षमता रखते हैं, क्योंकि वे ऊतकों में रक्त परिसंचरण के कार्य की नकल करते हुए परफ्यूजन को सक्षम करते हैं। तरल प्रवाह के अलावा, अन्य संवर्धन मापदंडों को आंत-पर-चिप उपकरणों में शामिल किया जाता है, जिसमें वास्तुशिल्प संकेत, यांत्रिक उत्तेजना, ऑक्सीजन प्रवणता और अन्य कोशिका आबादी और माइक्रोबायोटा के साथ सह-संवर्धन शामिल हैं, ताकि वास्तविक अंग के शारीरिक व्यवहार को अधिक सटीक रूप से प्रदर्शित किया जा सके। माइक्रोफ्लुइडिक्स पारंपरिक स्थिर कोशिका संवर्धन के विपरीत, माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में, द्रव प्रवाह बनाया जा सकता है, जो शारीरिक द्रव प्रवाह पैटर्न की बारीकी से नकल करते हैं। द्रव प्रवाह कोशिका सतहों पर शारीरिक कतरनी तनाव का परिचय देता है, पोषक तत्वों और विकास कारकों के एपिकल वितरण का परिचय देता है और रासायनिक प्रवणता की स्थापना को सक्षम बनाता है, जैसे। विकास कारक, जो उचित अंग विकास के लिए महत्वपूर्ण हैं। कुल मिलाकर, सूक्ष्म तरल उपकरण अंग-विशिष्ट सूक्ष्म पर्यावरण पर नियंत्रण बढ़ाते हैं, जो अधिक सटीक मॉडल के लिए अनुमति देता है। आंत-पर-चिप उपकरणों में माइक्रोफ्लुइडिक प्रवाह को पेश करने के लिए विभिन्न तकनीकों का उपयोग किया गया है, जिसमें पेरिस्टाल्टिक पंप, सिरिंज पंप, प्रेशर जनरेटर और हाइड्रोस्टैटिक दबाव और गुरुत्वाकर्षण द्वारा संचालित पम्पलेस सिस्टम शामिल हैं। गुरुत्वाकर्षण-संचालित माइक्रोफ्लुइडिक आंत-ऑन-ए-चिप उपकरण का एक उदाहरण मिमेटास द्वारा ऑर्गेनोप्लेट प्लेटफॉर्म है, जिसका उपयोग ब्यूरिवेज एट अल द्वारा सूजन आंत्र रोग के लिए एक रोग मॉडल के रूप में किया गया है। यांत्रिक उत्तेजना भ्रूण विकास के प्रारंभिक चरणों से लेकर प्रसव के बाद के जीवन तक, आंत लगातार यांत्रिक बलों की एक विस्तृत श्रृंखला के संपर्क में रहती है। पेरिस्टालिसिस, आंतों की सामग्री का अनैच्छिक और चक्रीय प्रणोदन, पाचन प्रक्रिया का एक आवश्यक हिस्सा है। यह भोजन के पाचन, पोषक तत्वों के अवशोषण और आंतों को बड़े पैमाने पर खाली करने में मदद करता है और सूक्ष्म पैमाने पर आंतों के उपकला पर अपरूपण तनाव और रेडियल दबाव लागू करता है। विशेष रूप से, यांत्रिक कारकों को आंतों के विकास और होमियोस्टेसिस को प्रभावित करने के लिए दिखाया गया था, जैसे कि आंत लूपिंग, विली गठन और क्रिप्ट स्थानीयकरण। इसके अलावा, मानव आंत में यांत्रिक उत्तेजनाओं की पुरानी अनुपस्थिति आंतों की रुग्णता से जुड़ी हुई है। एक प्रमुख उदाहरण जहां पेरिस्टालिसिस और माइक्रोफ्लुइडिक प्रवाह के रूप में दोनों यांत्रिक उत्तेजनाओं का संयोजन में उपयोग किया जाता है, वह है एमुलेट आंत-ऑन-ए-चिप प्रणाली। इस प्रणाली में एक दो-तरफा केंद्रीय कोशिका संवर्धन सूक्ष्म चैनल होता है, जिसे एक झरझरा, बाह्य कोशिकीय मैट्रिक्स-लेपित, पी. डी. एम. एस. झिल्ली द्वारा अलग किया जाता है, जो ऊपरी और निचले सूक्ष्म चैनल में दो अलग-अलग कोशिका आबादी के अलग संवर्धन की अनुमति देता है। केंद्रीय कक्ष समानांतर में चलने वाले दो निर्वात कक्षों से घिरा हुआ है। वैक्यूम का अनुप्रयोग छिद्रपूर्ण झिल्ली के चक्रीय एकदिशीय विस्तार की अनुमति देता है जो चैनलों को पेरिस्टाल्टिक गति वास्तुकला संकेतों की नकल करने के लिए अलग करता है जैसा कि पारंपरिक ऑर्गेनोइड कल्चर में होता है, ऊतक के माइक्रोएनाटॉमी के बेहतर प्रतिनिधित्व के लिए एक तीसरे कल्चर आयाम की शुरुआत करना महत्वपूर्ण है। चूंकि 3डी कोशिका संवर्धन अधिक शारीरिक रूप से प्रासंगिक जैव रासायनिक और यांत्रिक संकेतों को लागू करते हैं, इसलिए 3डी संवर्धन आम तौर पर बेहतर कोशिका व्यवहार्यता और अधिक शारीरिक प्रतिलेखन और प्रोटिओम प्राप्त करते हैं। इसके अलावा, ऊतक होमियोस्टेसिस प्रक्रियाओं जैसे प्रसार, विभेदन और कोशिका मृत्यु को अधिक शारीरिक तरीके से दर्शाया जाता है। कोशिका संवर्धन का 3डी समर्थन आमतौर पर हाइड्रोजेल पर आधारित होता है, जो देशी बाह्य कोशिकीय मैट्रिक्स की नकल करते हैं। कोशिकाओं को या तो हाइड्रोजेल में एम्बेड किया जा सकता है या पूर्वनिर्धारित सूक्ष्म-इंजीनियर हाइड्रोजेल सतह पर उगाया जा सकता है। 3डी आंतों की प्रणालियों के लिए सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला हाइड्रोजेल मैट्रिगल है, जो माउस सार्कोमा से घुलनशील तहखाने की झिल्ली का अर्क है। हालांकि, मैट्रिगल के महत्वपूर्ण नुकसान हैं जैसे कि एक ज़ेनोजेनिक मूल, बाथ-टू-बैच परिवर्तनशीलता, उच्च लागत और एक खराब परिभाषित संरचना। चूंकि ये कारक नैदानिक अनुवाद में बाधा डालते हैं, इसलिए 3डी आंतों के मॉडल में अन्य हाइड्रोजेल का तेजी से उपयोग किया जाता है, जिसमें फाइब्रिन, कोलेजन, हाइलूरोनिक एसिड और पी. ई. जी. आधारित सिंथेटिक हाइड्रोजेल शामिल हैं। ऊतक इंजीनियरिंग में, सूक्ष्म निर्माण तकनीकों का महत्वपूर्ण महत्व है, विशेष रूप से ऊतक सूक्ष्म पर्यावरण के प्रतिरूपण में। माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण को स्वयं डिजाइन करने और बनाने के अलावा, माइक्रोफैब्रिकेशन तकनीकों का उपयोग 3डी माइक्रोस्ट्रक्चर बनाने के लिए भी किया जाता है जो कोशिका संवर्धन सतहों के प्रतिरूपण की अनुमति देता है जो देशी ऊतक स्थलाकृति से निकटता से मिलता-जुलता है, अर्थात। क्रिप्ट-विलस-अक्ष। वास्तुशिल्प संकेतों पर निर्भर एक आंत-पर-एक-चिप प्रणाली का एक प्रमुख उदाहरण निकोलेव एट अल द्वारा होमियोस्टैटिक मिनी-आंत है। वे हाइड्रोजेल चैम्बर के साथ माइक्रोफैब्रिकेटेड आंत-ऑन-ए-चिप उपकरणों का उपयोग करते हैं। कोलेजन-मैट्रिगल-मिक्स हाइड्रोजेल को गुप्त संरचनाओं के साथ एक ट्यूबलर आंतों के लुमेन के लिए एक माइक्रो चैनल उत्पन्न करने के लिए लेजर-एब्लेट किया जाता है। इस उपकरण में आंतों की स्टेम कोशिकाओं की संस्कृति के परिणामस्वरूप क्रिप्ट-विलस डोमेन की शारीरिक स्थानिक व्यवस्था के साथ एक कार्यात्मक उपकला में उनका स्व-संगठन होता है। ये लघु-आंत्र एक विस्तारित दीर्घकालिक संवर्धन की अनुमति देते हैं और दुर्लभ आंत्र कोशिका प्रकारों को जन्म देते हैं जो आमतौर पर अन्य 3डी मॉडल में नहीं पाए जाते हैं। आंत-पर-एक-चिप मॉडल के वास्तुशिल्प रूप से संचालित रूपजनन के लिए एक और उदाहरण Gjorevski et al द्वारा प्रकाशित सतह पैटर्न तकनीकें हैं, उन्होंने आंतों के ऑर्गेनोइड ज्यामिति, आकार और कोशिका वितरण को पुनः उत्पन्न करने के लिए हाइड्रोजेल सतहों को पैटर्न करने के लिए माइक्रोफैब्रिकेटेड उपकरण विकसित किए। इन उदाहरणों से पता चलता है कि बाह्य रूप से निर्देशित मॉर्फोजेनेसिस के साथ आंत-पर-एक-चिप प्रणाली संकेत प्रवणता के स्थानिक और अस्थायी नियंत्रण को सक्षम करती है और आंतों के मॉर्फोजेनेसिस, स्टेम सेल रखरखाव, क्रिप्ट डायनामिक्स और एपिथेलियल पुनर्जनन का व्यापक रूप से अध्ययन करने के लिए एक मंच प्रदान कर सकती है। सह-संवर्धन स्वस्थ आंत में विभिन्न कार्यों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है, जिसे पूरा करने के लिए विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं के एक विशाल समूह की आवश्यकता होती है। प्राथमिक आंतों के कार्य, पोषक तत्वों के अवशोषण के लिए, आंतों के उपकला और रक्त और लिम्फ एंडोथेलियल कोशिकाओं के बीच निकट संपर्क की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, आंतों का माइक्रोबायोटा भोजन के पाचन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जो एक विश्वसनीय प्रतिरक्षा रक्षा को अनिवार्य बनाता है। इसके अलावा, मांसपेशियों और तंत्रिका कोशिकाएं पेरिस्टालिसिस और तृप्ति को नियंत्रित करती हैं। अंत में, मेसेनकाइमल कोशिकाएं आंतों के स्टेम सेल आला के आवश्यक घटक हैं क्योंकि वे शारीरिक समर्थन प्रदान करती हैं और विकास कारकों को स्रावित करती हैं। इस प्रकार, आंतों के कार्यों के विभिन्न पहलुओं को पर्याप्त रूप से मॉडल करने के लिए आंत-पर-चिप प्रणालियों में विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं को शामिल करना महत्वपूर्ण है। आंत-पर-चिप प्रणालियों में आंतों के उपकला और सूक्ष्मजीव को सह-संवर्धित करने के लिए पहले कदम उठाए गए थे। उदाहरण हैं एमुलेट आंत-ऑन-ए-चिप प्रणाली का उपयोग करके आंतों के शिगेल्ला फ्लेक्सनेरी संक्रमण के लिए एक इन विट्रो मॉडल की स्थापना या एरोबिक और अवायवीय दोनों प्रजातियों के साथ एक जटिल मल-व्युत्पन्न माइक्रोबायोटा आबादी का मनोरंजन। इसी तरह, शोधकर्ताओं ने परिधीय रक्त मोनोन्यूक्लियर कोशिकाओं, मोनोसाइट्स, मैक्रोफेज या न्यूट्रोफिल के साथ आंतों के उपकला को सह-संवर्धित करके आंत-पर-चिप प्रणालियों में एक प्रतिरक्षा-सक्षम आंतों के उपकला को फिर से बनाने की कोशिश की है। इसके अलावा, उपकला-एंडोथेलियल इंटरफेस को एक छिद्रपूर्ण झिल्ली के विपरीत पक्षों पर एंडोथेलियल मोनोलेयर और आंतों के उपकला को संवर्धित करके कई अलग-अलग प्रणालियों में मॉडल किया गया है। अन्य प्रकार की कोशिकाओं के साथ सह-संवर्धित आंतों की कोशिकाओं के अलावा, आंतों के उपकला की कोशिका आबादी भी उच्च प्रासंगिकता की है। जबकि कुछ अपेक्षाकृत सरल दृष्टिकोण आंतों के उपकला के लिए कोशिका स्रोत के रूप में अमर कोशिका रेखाओं का उपयोग करते हैं, ऑर्गेनोइड-व्युत्पन्न आंतों की स्टेम कोशिकाओं के उपयोग की ओर एक बदलाव है, जो अधिक शारीरिक कोशिका प्रकार संरचना के साथ आंतों के उपकला की व्युत्पत्ति की अनुमति देता है। संदर्भ बाहरी लिंक वीडियो के साथ माइमेटास ऑर्गेनोप्लेट प्लेटफॉर्मः https://www.mimetas.com/en/perfused-tubules एमुलेट डुओडेनम इन्टेस्टाइन-चिपः https://emulatebio.com/duodenum-intestine-chip होमियोस्टैटिक मिनी-इन्टेस्टाइन वीडियोः https://www.youtube.com/watch?v=IHKuri9sFEM&list=PLdV2S7pxgq9ZY1IBzIRJxDlq-lNKClsnW माइक्रोफ्लुइडिक्स बायोटेक्नोलॉजी टिश्यू इंजीनियरिंग