Интегрированный

Биология связи, том 6, Номер статьи: 310 (2023) Цитировать эту статью

3749 Доступов

2 цитаты

72 Альтметрика

Подробности о метриках

Неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП) поражает значительный процент населения; однако эффективные методы лечения еще не разработаны из-за непригодности анализов in vitro и экспериментальных моделей на животных. Здесь мы представляем интегрированную платформу «кишечник-печень на чипе» (iGLC) как in vitro человеческую модель оси кишечник-печень (GLA) путем совместного культивирования линий клеток кишечника и печени человека, связанных между собой посредством микрофлюидики в замкнутый контур кровообращения для инициации и прогрессирования НАЖБП путем лечения свободными жирными кислотами (СЖК) в течение 1 и 7 дней соответственно. Совместно культивированные клетки, имитирующие кишечник Caco-2, и гепатоцитоподобные клетки HepG2 демонстрируют защитные эффекты от апоптоза против обработки FFA, тогда как монокультивированные клетки демонстрируют индуцированный апоптоз. Анализ фенотипа и экспрессии генов показывает, что обработанные СЖК клетки кишечника и печени накапливают внутриклеточные липидные капли и демонстрируют увеличение экспрессии генов, связанное с клеточным ответом на ионы меди и стресс эндоплазматического ретикулума. В качестве модели GLA человека in vitro платформа iGLC может служить альтернативой экспериментам на животных для изучения механизмов НАЖБП.

Неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП) — распространенное хроническое заболевание печени, которое приводит к стеатозу печени, циррозу печени, раку и сердечно-сосудистым заболеваниям1,2,3,4. Ожидается, что к 2030 году НАЖБП будет страдать у 33,5% населения США старше 15 лет5. В настоящее время трансплантация печени является единственным методом лечения пациентов с тяжелыми заболеваниями печени, и найти доноров, подходящих пациентам, чрезвычайно сложно. Существует острая необходимость вмешательства на различных стадиях жировой болезни печени; однако механизм заболевания в значительной степени неизвестен из-за сложных процессов, происходящих на нескольких уровнях, известных как теория множественных поражений. Например, накопление жира, окислительный стресс, стресс эндоплазматической сети (ЭР) и генетические или эпигенетические модификации могут возникать на клеточном уровне, тогда как резистентность к инсулину и воспалительные реакции могут возникать во многих органах в зависимости от человека и окружающей среды6. Для определения новых методов лечения НАЖБП необходимо глубокое понимание каждого из этих процессов, а затем необходимо объединить эти накопленные знания.

В этом исследовании мы сосредоточились на оси кишечник-печень (GLA), которая является одним из наиболее важных компонентов инициации и прогрессирования НАЖБП7,8. На кишечник сильно влияют кишечная микробиота и пищевые углеводы, которые могут ускорить развитие НАЖБП9,10,11. Продукты воспаления, питательные вещества и вещества, всасываемые из пищи и микробиоты через кишечный барьер, переносятся венозной кровью в печень. Кроме того, продукты, вырабатываемые гепатоцитами, транспортируются в тонкий кишечник. Таким образом, кишечник и печень неразрывно связаны как физиологически, так и патологически. Дисфункция GLA, включая дисбиоз кишечника, избыточный бактериальный рост и изменение проницаемости слизистой оболочки, вызванные НАЖБП, являются потенциальными терапевтическими мишенями; 12,13 но на сегодняшний день коммерчески доступных методов лечения не существует. Во многом это связано с тем, что традиционные доклинические испытания на животных не совсем точно отражают проблемы теории множественного воздействия, отсутствие доступа к отдельным органам живых животных и наличие видовых различий. Таким образом, создание упрощенной и надежной модели для изучения ГЛК при НАЖБП имеет решающее значение для получения более глубокого понимания механизмов, лежащих в основе открытия новых лекарств, методов лечения и диагностических инструментов.

Органы на чипах (ООК), которые также известны как микрофизиологические системы (МПС), обладают значительным потенциалом для доклинических испытаний in vitro14,15,16,17 и моделирования заболеваний18. Микрофлюидная технология является основой OOC, поскольку она обеспечивает точный контроль потока жидкости и трехмерную архитектуру каналов потока. Эти свойства дают ООК возможность контролировать клеточное микроокружение в пространстве и времени и функционализировать тканевые клетки. Циркуляция среды для культивирования клеток может дополнительно помочь в моделировании мультиорганных взаимодействий с паракринной и эндокринной передачей сигналов. OCC в сочетании с передовыми клеточными анализами, такими как анализы с высоким содержанием и подход омикс, обеспечивают более глубокое понимание биологии количественным и многопараметрическим способом, чем эксперименты на животных19. ООК использовались для повторения GLA in vitro и для демонстрации роли перекрестных помех через GLA в патологических ситуациях, включая жировую болезнь печени20,21 и воспаление22, для фармакокинетических исследований in vitro23. Однако ООС необходимо дополнительно усовершенствовать, чтобы имитировать GLA, и для этого необходимы четыре ключевые особенности: замкнутый контур циркуляции, доступ к отдельным камерам, динамический контроль потока и предотвращение абсорбции молекул. Замкнутый контур циркуляции необходим для циркуляции среды для повторения межтканевых взаимодействий в GLA. Индивидуальная доступность необходима для введения клеток ткани в нужную камеру и сбора их после обработки без перекрестного загрязнения другими клетками. Замкнутый контур кровообращения и индивидуальная доступность могут показаться противоречивыми характеристиками, но оба они необходимы для исследования перекрестных помех между кишечником и печенью. Динамический контроль потока имеет решающее значение для получения функциональных тканевых клеток in vitro, особенно для кишечника24. Некоторые ООС требуют использования дополнительных вкладышей для клеточных культур (например, Transwell) для совместного культивирования двух или более типов клеток, разделенных пористой мембраной. Однако из-за макромасштабного диапазона среды эти вставки не могут быть использованы для микропроизводства и часто лишены преимуществ микрофлюидной технологии, таких как контроль над динамикой потока в камере для культуры клеток и клеточной микросредой. Эти дополнительные вставки часто мешают микроскопическому наблюдению за клетками, поскольку увеличивают рабочее расстояние и дифракцию света в порах мембраны. Полидиметилсилоксан (ПДМС) является широко используемым материалом для микрожидкостных систем культивирования клеток благодаря своим свойствам биосовместимости, прозрачности и эластичности. Однако необходимо предотвращать абсорбцию ПДМС, поскольку ПДМС вызывает абсорбцию гидрофобных молекул, включая метаболиты, гормоны, кандидаты в лекарства, жирные кислоты, липиды и флуоресцентные индикаторы, которые могут влиять на клеточные фенотипы и результаты анализов. Свободные жирные кислоты (СЖК) являются критическим фактором НАЖБП. Хотя системы микрожидкостной культуры клеток на основе PDMS25,26, включая нашу ранее описанную модель GLA in vitro27, решают вышеупомянутые проблемы OOC для GLA, платформы на основе PDMS без каких-либо методов предотвращения абсорбции гидрофобных молекул не применимы для рекапитуляции НАЖБП28.