رئة على رقاقة

تُعرف أجهزة الرئة على رقاقة (LoC)، أو رقائق الرئة ، بأنها أجهزة دقيقة ومليمترية الموائع تُحاكي أعضاءً على رقاقة، مصممة لمحاكاة بنية ووظيفة الرئة البشرية، وتقليد حركات التنفس وديناميكيات السوائل التي تحدث أثناء الشهيق والزفير. ^{[ 1 ]} تُمثل أجهزة الرئة على رقاقة البديل الأكثر واعدة لاستبدال التجارب على الحيوانات .

قام هوه وزملاؤه بتطوير أول نظام مائع دقيق قائم على متعدد ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) لزراعة خلايا ظهارية أولية مصابة في المسالك الهوائية الصغيرة عند سطح التماس بين الهواء والسائل (ALI). وعلى الرغم من بساطته، نجح هذا النظام في محاكاة أصوات الطقطقة المصاحبة للإصابة الميكانيكية في تجويف المسالك الهوائية. ^{[ 2 ]} وقد شكل هذا النظام النواة الأولى لأنظمة المختبر على رقاقة (LoC) الحديثة المستخدمة اليوم.

طُوِّر أول جهاز محاكاة على رقاقة (LoC)، الذي نُشر في عدد 25 يونيو 2010 من مجلة ساينس ، على يد دان هوه ودونالد إي. إنجبر في معهد وايس . وقد دمج هذا الجهاز خلايا الرئة والأوعية الدموية البشرية ، مما أثبت قدرة أجهزة المحاكاة على رقاقة على محاكاة وظائف الرئة الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك، تنبأ الجهاز بامتصاص الجسيمات النانوية المحمولة جوًا وحاكى الاستجابة الالتهابية التي تُثيرها مسببات الأمراض الميكروبية . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

شركة جنرال لوك للإنشاءات

في أبسط تكويناتها، تُصنع أنظمة المختبر على رقاقة (LoC) من قاعدة متوافقة حيوياً، عادةً ما تكون من مادة PDMS، وخطوط خلوية مناسبة، وقنوات ومضخات ميكروفلويدية تدفع وسط الاستنبات عبر المنصة. ^{[ 5 ]} تُحفر قنوات ميكروفلويدية معقدة في قاعدة PDMS، وتُنقل إلى المادة باستخدام تقنية تصنيع دقيقة تُسمى الطباعة الحجرية اللينة ، والتي كان جورج إم. وايتسايدز رائدًا فيها . تُمكّن برامج التصميم بمساعدة الحاسوب الباحثين من تصميم قنوات وأقسام معقدة لتلبية احتياجاتهم التصميمية.

بعد الانتهاء من تصميم القناة الميكروفلويدية ونقلها إلى القاعدة المطلوبة، تُبطَّن معظم الرقائق السنخية بخلايا طلائية على الجانب القمي وخلايا بطانية على الجانب القاعدي، يفصل بينهما مادة شبه منفذة مثل PDMS. يتدفق وسط زراعي من الجانب القاعدي، موفرًا العناصر الغذائية اللازمة لزراعة الخلايا، ومحاكيًا تدفق الدم عبر الجهاز. أما من الجانب القمي، فتُترك الخلايا البطانية مفتوحة للهواء لإعادة إنشاء سطح فاصل بين الهواء والسائل داخل الجهاز. ^{[ 6 ]}

إلى جانب تصميم قناة الجهاز الأساسية وأنواع الخلايا ذات الصلة، تُضيف معظم الأجهزة آلية تفريغ داخل الشريحة للسماح بالتمدد الميكانيكي الدوري للجهاز. تُعدّ آلية التمدد المستمر هذه محاولةً لمحاكاة التمدد الطبيعي الذي تتعرض له الرئة البشرية خلال دورة تنفس طبيعية، مما يُعزز من أهمية الجهاز من الناحية الفيزيولوجية. تتمدد بعض الأجهزة في بُعدين، بينما تتمدد الإصدارات الأكثر تعقيدًا في ثلاثة أبعاد. ^{[ 5 ]}

سعت العديد من الأنظمة الحديثة إلى إضافة طبقة ثالثة إلى أنظمة الحويصلات الهوائية، بهدف محاكاة الطبقة الخلالية للحويصلات الهوائية. تحل هذه الطبقة الثالثة محل الجزء شبه النفاذ المصنوع من مادة PDMS بين الجانبين القمي والقاعدي. يُعتقد أن هذا يُحاكي بشكل أفضل شبكة الحويصلات الهوائية داخل الرئة، ويساعد في محاكاة التغيرات الالتهابية التي تحدث في الحيز الخلالي أثناء الحالة المرضية. تجدر الإشارة إلى أن بعض الأنظمة استخدمت أليافًا دقيقة مغزولة بتقنية النانو، بينما استخدمت أنظمة أخرى مركبات الإيلاستين والكولاجين. ^{[ 5 ]}

تُستخدم هذه الأجهزة في نهاية المطاف لإعادة إنتاج الوظائف الفسيولوجية الطبيعية، وتحسين توصيف الأمراض، وتُستخدم كنموذج ما قبل سريري لتطوير العلاجات. منذ إدخال تقنية الخلايا على رقاقة (LoCs) في عام 2010، تم إحراز العديد من التقدمات لتطوير نماذج صالحة وفعّالة وذات صلة سريرية. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تحدث حركات التنفس في نماذج الأعضاء على رقاقة النموذجية، مثل منصة Wyss، في بُعدين، بدلاً من الشكل ثلاثي الأبعاد ذي الصلة الفيزيولوجية. تُصنع معظم نماذج الأعضاء على رقاقة ، بما في ذلك نماذج الأعضاء على رقاقة، من مادة PDMS، التي لها عدة قيود. ^{[ 7 ]} على سبيل المثال، يبلغ سمك رقاقة المنصة ذات الحجرتين، المشابهة لرقاقة Wyss، ما لا يقل عن 10 إلى 15 ضعف سمك نظيرتها في الجسم الحي (يبلغ سمك رقاقة Wyss التجارية 50 ميكرومترًا وفقًا لبياناتها). ^{[ 8 ]} يُعد هذا السمك المتزايد مهمًا لأنه يعيق التواصل بين جانبي أغشية PDMS.

تكمن المشكلة الرئيسية في مادة PDMS في خصائص امتصاصها ، مما يؤدي إلى نتائج غير واقعية في تحديد مسارات الامتصاص والتوزيع والاستقلاب والإخراج (ADME) ، وبالتالي، إلى تحليل غير دقيق لحركية الدواء . ^{[ 7 ] [ 9 ]} تشمل القيود الأخرى لمادة PDMS التحلل البيولوجي ، والترشيح ، وانفصال الخلايا، وامتصاص الجزيئات، وكلها تؤثر على دقة وموثوقية فحوصات الخلايا. ^{[ 10 ]}