شبیه‌سازی حیرت‌انگیز محیط روده انسان روی تراشه

مقاله‌ای با عنوان Gut-on-a-chip for exploring the transport mechanism of Hg(II) در نشریه Microsystems & Nanoengineering چاپ شده است که در آن محققان جزییات مربوط به ساخت ابزاری به نام روده روی تراشه را تشریح کردند.

دانشمندان در این پروژه موفق شدند تا ریزمحیط سلولی را با اعمال تنش برشی سیال و کرنش مکانیکی چرخه‌ای بازسازی کنند.

لی وانگ و همکارانش در این مقاله نشان دادند که این ابزار، روده روی تراشه بوده و با حسگرهای مقاومت الکتریکی ترانس اپیتلیال و حسگرهای الکتروشیمیایی ادغام شده است.

پژوهشگران چینی جذب جیوه و آسیب فیزیکی ناشی از این عنصر سمی روی سلول‌های اپیتلیال را از طریق عملکرد حسگرهای الکتروشیمیایی پس از قرار دادن آنها در معرض سلول‌های روده‌ای که تحت غلظت‌های مختلف جیوه مخلوط شده در محیط کشت سلولی رشد می‌کردند، مورد مطالعه قرار دادند.

براساس گزارش ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، یون‌های جیوه غیرقابل تجزیه هستند و می‌توانند در غلظت‌های پایین در بدن تجمع کرده و به اندام‌های اصلی آسیب برسانند. یون‌های سمی جیوه می‌توانند با اجزای آنتی‌اکسیدان، آنزیم‌های ترمیم‌کننده DNA و پروتئین‌ها در سطح درون سلولی تعامل داشته باشند تا هموستاز سلولی را مختل کنند و ساختار و عملکرد سلولی نامنظم ایجاد کنند.

در حالی که جذب جیوه بیشتر در روده کوچک اتفاق می‌افتد، سطوح بالای مصرف جیوه می تواند باعث خونریزی داخلی در یک بازه زمانی کوتاه شود. مصرف طولانی مدت غلظت کم یون‌های جیوه نیز می‌تواند منجر به بیماری‌های مزمن روده شود. اپیتلیوم روده یک مانع اولیه برای محدود کردن نفوذ جیوه بلعیده شده در جریان خون و کاهش اثرات مضر آن ایجاد می‌کند.

یک مدل روده معقول برای کشف مکانیسم‌های انتقال جیوه در آزمایشگاه از اهمیت بالایی برخوردار است. اگرچه مدل‌های حیوانی و کشت‌های سلولی ساکن به‌طور سنتی برای مطالعه جذب روده‌ای و انتقال جیوه استفاده می‌شوند، این مدل‌ها به طور مؤثری ریزمحیط روده را برای تقلید از روده زنده شبیه‌سازی نمی‌کنند.

در این بررسی، محققان یک مدل روده روی یک تراشه ادغام شده با حسگرهای بدون برچسب را توسعه دادند تا تغییرات مقاومت الکتریکی ترانس اپیتلیال را در طول رفتار سلولی جذب جیوه به صورت غیر تهاجمی نظارت کند. این تیم ویژگی‌های کلیدی روده را از طریق اندازه‌گیری‌های الکتریکی و مطالعات ایمونوهیستوشیمی شناسایی کردند تا تأثیر آن بر کانال‌های یونی حسی مکانیکی را ارزیابی کنند.

این تیم تحقیقاتی تراشه‌ای ساختند که رفتار مکانیکی مشابه روده زنده را نشان داد و جریان مایع و کشش مکانیکی چرخه‌ای را معرفی کرد. به‌عنوان مثال، تنش برشی تقریبی ۰٫۰۲ dyne/cm۲ جریان مایع مورد نیاز برای مورفوژنز اپیتلیال روده را تولید کرد. بر اساس محاسبات اضافی بر روی تراشه اندام، این تیم سرعت جریان ۱۶۰ میکرولیتر در ساعت را برای ابعاد متناظر تنش برشی به دست آورد.

آنها سپس دینامیک کرنش/تنش کششی را از طریق تجزیه و تحلیل اجزای محدود شبیه‌سازی کردند تا اثرات پارامترها بر خواص فیزیکی این ابزار از جمله قطر حفره‌های آن و تأثیر آن‌ها را با تجزیه و تحلیل فعالیت کاتالیزوری آلکالین فسفاتاز درک کنند.

ابزار روده روی یک تراشه ساختارهای شبیه پرزهای روده‌ی بیومیمتیک برای حفظ یکپارچگی سد بافتی ارائه می‌دهد و نشان‌دهنده یک روده مصنوعی شبیه به بافت فیزیولوژیک انسان است.

در قدم بعد محققان سلول‌ها را در شرایط کشت استاتیک در معرض جیوه قرار دادند تا روند مرگ سلولی را درک کنند. نتایج نشان داد که فعالیت لاکتات دهیدروژناز (LDH) با گذشت زمان در سیستم افزایش می‌یابد تا اثرات مساوی سم را در هر دو محیط کشت سلولی نشان دهد. با این حال، درجه آسیب بین دو محیط کشت متفاوت است. به‌عنوان مثال، بیان LDH در کشت استاتیک در مقایسه با کشت سلولی پویا پس از اضافه شدن جیوه، بیشتر بود.

به این ترتیب، لی وانگ و همکارانش یک دستگاه روده روی تراشه ادغام شده با حسگرهای مقاومت الکتریکی ترانس اپیتلیال و چندین حسگر الکتروشیمیایی برای انتقال جیوه در روده انسان در شرایط آزمایشگاهی ایجاد کردند. دینامیک این تراشه مانع فیزیکی روده و ریزمحیط آن را برای مشاهده انتقال جیوه در زمان واقعی تقلید کرد. این تیم در نظر دارد مکانیسم‌های دیگری را که زمینه‌ساز بیماری‌های روده انسان است با استفاده از تراشه‌ها مجهز به سیستم‌های زیستی بررسی کند.

۵۸۵۸