معلومة

10.6: تفاعل أنظمة الأعضاء - علم الأحياء

10.6: تفاعل أنظمة الأعضاء - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

العمل بروح الفريق الواحد

كل لاعب في فريق الكرة اللينة لديه وظيفة خاصة ليؤديها. كل لاعب من لاعبي الفريق البرتقالي في الشكل ( PageIndex {1} ) لديه الجزء الخاص به من الملعب أو الملعب مغطى إذا جاءت الكرة في طريقه. يقوم اللاعبون الآخرون في الفريق البرتقالي بتغطية أجزاء أخرى من الملعب أو الملعب أو يمسكون بالكرة. من الواضح أن لعب الكرة اللينة يتطلب العمل الجماعي. إن جسم الإنسان مثل فريق الكرة اللينة في هذا الصدد. يجب أن تعمل جميع أجهزة الجسم في جسم الإنسان معًا كفريق واحد لإبقاء الجسم على قيد الحياة وبصحة جيدة. يبدأ العمل الجماعي داخل الجسم بالتواصل.

التواصل بين أنظمة الأعضاء

يعد التواصل بين أجهزة الأعضاء أمرًا حيويًا إذا كان عليهم العمل معًا كفريق واحد. يتم التحكم في الاتصال بين أجهزة الأعضاء بشكل أساسي عن طريق الجهاز العصبي اللاإرادي ونظام الغدد الصماء.

الجهاز العصبي اللاإرادي هو جزء من الجهاز العصبي يتحكم في الوظائف اللاإرادية. على سبيل المثال ، يتحكم الجهاز العصبي اللاإرادي في معدل ضربات القلب وتدفق الدم والهضم. لست مضطرًا إلى إخبار قلبك بأن ينبض بشكل أسرع أو يضغط بوعي على العضلات لدفع الطعام عبر الجهاز الهضمي. في الواقع ، ليس عليك حتى التفكير في هذه الوظائف على الإطلاق. يقوم الجهاز العصبي اللاإرادي بتنسيق جميع الإشارات اللازمة للسيطرة عليها. يرسل الرسائل بين أجزاء من الجهاز العصبي وبين الجهاز العصبي وأنظمة الأعضاء الأخرى عبر رُسُل كيميائية تسمى الناقلات العصبية.

نظام الغدد الصماء هو نظام الغدد التي تفرز الهرمونات مباشرة في مجرى الدم. بمجرد دخول الدم ، تنتقل هرمونات الغدد الصماء إلى الخلايا في كل مكان في الجسم. يخضع نظام الغدد الصماء لسيطرة منطقة ما تحت المهاد ، وهي جزء من الدماغ. يفرز الوطاء الهرمونات التي تنتقل مباشرة إلى خلايا الغدة النخامية الموجودة تحتها. الغدة النخامية هي الغدة الرئيسية لنظام الغدد الصماء. تقوم معظم هرموناتها إما بتشغيل أو إيقاف تشغيل الغدد الصماء الأخرى. على سبيل المثال ، إذا كانت الغدة النخامية تفرز هرمون الغدة الدرقية ، ينتقل الهرمون عبر الدورة الدموية إلى الغدة الدرقية ، التي يتم تحفيزها لإفراز هرمون الغدة الدرقية. ينتقل هرمون الغدة الدرقية بعد ذلك إلى الخلايا في جميع أنحاء الجسم ، حيث يزيد من عملية التمثيل الغذائي.

أمثلة على تفاعلات نظام الجهاز

تتطلب زيادة التمثيل الغذائي الخلوي مزيدًا من التنفس الخلوي. يعد التنفس الخلوي مثالًا جيدًا على تفاعلات الجهاز العضوي لأنه عملية أساسية تحدث في جميع الخلايا الحية.

التنفس الخلوي

التنفس الخلوي هو عملية داخل الخلايا تقوم بتكسير الجلوكوز بالأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والطاقة على شكل جزيئات ATP. إنها العملية التي تحصل بها الخلايا على طاقة قابلة للاستخدام لتشغيل العمليات الخلوية الأخرى. ما هي أنظمة الأعضاء التي تشارك في التنفس الخلوي؟ يأتي الجلوكوز اللازم للتنفس الخلوي من الجهاز الهضمي عبر نظام القلب والأوعية الدموية. يأتي الأكسجين اللازم للتنفس الخلوي من الجهاز التنفسي أيضًا عبر نظام القلب والأوعية الدموية. ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التنفس الخلوي يترك الجسم في الاتجاه المعاكس. باختصار ، يتطلب التنفس الخلوي على الأقل الجهاز الهضمي والقلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي.

استجابة القتال أو الطيران

المشهور استجابة القتال أو الطيران هو مثال جيد على كيفية تحكم الجهاز العصبي والغدد الصماء في استجابات أجهزة الأعضاء الأخرى. تبدأ استجابة القتال أو الهروب عندما يلاحظ الجهاز العصبي خطرًا مفاجئًا ، كما هو موضح في الشكل ( PageIndex {2} ). يرسل المخ رسالة إلى جهاز الغدد الصماء (عبر الغدة النخامية) للغدد الكظرية لإفراز هرموناتها الكورتيزول والأدرينالين. تغمر هذه الهرمونات الدورة الدموية وتؤثر على أجهزة الأعضاء الأخرى في جميع أنحاء الجسم ، بما في ذلك الجهاز القلبي الوعائي والجهاز البولي والحسي والجهاز الهضمي. تشمل الاستجابات المحددة زيادة معدل ضربات القلب ، واسترخاء المثانة ، والرؤية النفقية ، وتحويل الدم بعيدًا عن الجهاز الهضمي باتجاه العضلات والدماغ والأعضاء الحيوية الأخرى اللازمة للقتال أو الفرار.

هضم الطعام

يتطلب هضم الطعام عملًا جماعيًا بين الجهاز الهضمي والعديد من أجهزة الأعضاء الأخرى ، بما في ذلك الجهاز العصبي والقلب والأوعية الدموية والجهاز العضلي. عندما تأكل وجبة ، تحتاج أعضاء الجهاز الهضمي إلى مزيد من الدم لأداء وظائفها الهضمية. يتسبب دخول الطعام إلى الجهاز الهضمي في إرسال نبضات عصبية إلى الدماغ ؛ استجابة لذلك ، يرسل الدماغ رسائل إلى نظام القلب والأوعية الدموية لزيادة معدل ضربات القلب وتوسيع الأوعية الدموية في الجهاز الهضمي. يمر الطعام عبر أعضاء الجهاز الهضمي عن طريق الانقباضات المنتظمة للعضلات الملساء في جدران الأعضاء ، لذلك فإن الجهاز العضلي ضروري أيضًا لعملية الهضم. بعد هضم الطعام ، يتم امتصاص العناصر الغذائية من الطعام في دم الأوعية المبطنة للأمعاء الدقيقة. يتم التخلص من أي بقايا طعام متبقية من خلال الأمعاء الغليظة.

لعب الكرة اللينة

الرجال الذين يلعبون الكرة اللينة في الشكل ( PageIndex {1} ) يستخدمون أنظمة أعضاء متعددة في هذا النشاط التطوعي. تركز أنظمتهم العصبية على المراقبة والاستعداد للاستجابة للمسرحية التالية. يتم التحكم في أنظمتهم الأخرى بواسطة الجهاز العصبي اللاإرادي. تشمل أنظمة الأعضاء التي يستخدمونها الجهاز العضلي والهيكل العظمي والجهاز التنفسي والقلب والأوعية الدموية. هل يمكنك شرح كيفية مشاركة كل من هذه الأجهزة في لعب الكرة اللينة؟

الميزة: مصادر موثوقة

يسمح العمل الجماعي بين أنظمة الأعضاء للكائن البشري بالعمل مثل آلة مضبوطة بدقة. أو على الأقل يحدث ذلك حتى يفشل أحد أجهزة الأعضاء. عندما يحدث ذلك ، ستتأثر أيضًا أنظمة الأعضاء الأخرى التي تتفاعل في نفس العملية الكلية. هذا محتمل بشكل خاص إذا كان النظام المتأثر يلعب دور تحكم في العملية. مثال على مرض السكري من النوع 1. يحدث هذا الاضطراب عندما لا يفرز البنكرياس هرمون الغدد الصماء الأنسولين. يُفرز الأنسولين بشكل طبيعي استجابة لارتفاع مستوى الجلوكوز في الدم ، ويعيد مستوى الجلوكوز إلى طبيعته عن طريق تحفيز خلايا الجسم على امتصاص الأنسولين من الدم.

تعرف على المزيد حول مرض السكري من النوع 1. استخدم العديد من مصادر الإنترنت الموثوقة للإجابة على الأسئلة التالية:

  1. ما الذي يسبب فشل جهاز الغدد الصماء في إنتاج الأنسولين في داء السكري من النوع 1؟
  2. ما هي أجهزة الأعضاء التي تتأثر بمستويات الجلوكوز المرتفعة في الدم إذا لم يتم التحكم في مرض السكري من النوع الأول؟ ما هي بعض التأثيرات المحددة؟
  3. كيف يمكن التحكم في مستويات الجلوكوز في الدم لدى مرضى السكري من النوع الأول؟

إعادة النظر

  1. ما هو الجهاز العصبي اللاإرادي؟
  2. كيف يتواصل الجهاز العصبي اللاإرادي ونظام الغدد الصماء مع أجهزة الأعضاء الأخرى بحيث يمكن للأنظمة التفاعل؟
  3. اشرح كيف يتواصل الدماغ مع جهاز الغدد الصماء.
  4. ما هو دور الغدة النخامية في جهاز الغدد الصماء؟
  5. تحديد أجهزة الأعضاء التي تلعب دورًا في التنفس الخلوي.
  6. كيف يقوم هرمون الأدرينالين بإعداد الجسم للقتال أو الفرار؟ ما هي التغيرات الفسيولوجية المحددة التي تحدثها؟
  7. شرح دور الجهاز العضلي في هضم الطعام.
  8. صف كيف تشارك ثلاثة أجهزة مختلفة عندما يلعب اللاعب لعبة معينة في الكرة اللينة ، مثل اصطياد كرة طائرة.
  9. صحيحة أو خاطئة. يتحكم الجهاز العصبي اللاإرادي في الحركات الواعية.
  10. صحيحة أو خاطئة. تنتقل الهرمونات في جميع أنحاء الجسم.
  11. صحيحة أو خاطئة. تفرز الغدة النخامية هرمون الغدة الدرقية مباشرة.
  12. ما نوعان من الجزيئات التي يستخدمها الجسم للتواصل بين أجهزة الأعضاء؟
  13. اشرح لماذا يمكن أن يكون للهرمونات مجموعة متنوعة من التأثيرات على الجسم.
  14. يمكن أن يتأثر معدل ضربات القلب بما يلي:
    1. الهرمونات
    2. الناقلات العصبية
    3. استجابة القتال أو الهروب
    4. كل ما ورداعلاه
  15. أي غدة تفرز هرمون الكورتيزول؟

استكشاف المزيد

بدون العضلات المبطنة للجهاز الهضمي ، لن تتمكن من هضم الطعام. شاهد هذه الرسوم المتحركة القصيرة للطعام وهو يتحرك عبر الجهاز الهضمي. يوضح بوضوح شديد التفاعل الضروري للجهاز العضلي والجهاز الهضمي في عملية الهضم.


نظام الجهاز

نظام العضو هو مجموعة من الأعضاء التي تعمل معًا لأداء وظيفة معينة في جسم الكائن الحي. تحتوي معظم الحيوانات والنباتات على أعضاء ، وهي مجموعات من الأنسجة قائمة بذاتها مثل القلب تعمل معًا لأداء وظيفة واحدة. يمتلك البشر والثدييات الأخرى العديد من أجهزة الأعضاء. مثال على نظام العضو هو الدورة الدموية ، والتي تشمل القلب والشرايين والأوردة والشعيرات الدموية. يحتوي جسم الإنسان على 11 جهازًا عضويًا مختلفًا.


نظرة عامة على أنظمة الجسم

جميع أنظمة الجسم ضرورية لكائن حي معقد حتى يتمكن من البقاء والتكاثر. هذه المقال سيركز على أنظمة جسم الإنسان تتطلب جميع الحيوانات أنظمة متشابهة ، ولكن قد تختلف تفاصيل كيفية إنجازها لمهامها.

تشمل الوظائف التي يجب أن يؤديها الحيوان للبقاء على قيد الحياة ما يلي:

  • امتصاص الأكسجين لاستخدامه في التنفس الخلوي
  • إفراز ثاني أكسيد الكربون الناتج أثناء التنفس الخلوي
  • تناول الطعام ومعالجته للحصول على السكريات والعناصر الغذائية الأخرى.
  • نقل المواد الضرورية كالأكسجين والعناصر الغذائية إلى جميع خلايا الجسم
  • التخلص من الفضلات السامة من الجسم.
  • الاستجابة للتغيرات في الظروف البيئية
  • حماية الأعضاء من البيئة.
  • محاربة مسببات الأمراض

بالإضافة إلى ذلك ، لكي يبقى النوع على قيد الحياة ، يجب أن يكون أفراده قادرين على التكاثر.

كيف تعمل أعضائنا وأنسجتنا معًا كنظم لإنجاز هذه المهام؟


أمثلة على تحجيم الأعضاء

تقتصر أمثلةنا على الأعضاء الرئيسية التي تعتبر أهدافًا علاجية شائعة ولا تشمل الأنسجة المهمة الأخرى مثل الدهون أو العظام أو الغدد الصماء أو العضلات الهيكلية أو أنسجة الجلد. عند محاولة تلخيص المتطلبات الأيضية والفسيولوجية في الجسم الحي لنظام العضو المقترن ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار أن هذه الأنسجة تلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في متطلبات التمثيل الغذائي والإشارات الكيميائية الحيوية. نتيجة لذلك ، يجب أن تأخذ معايير التصميم الخاصة بقياس OoC في الاعتبار وجود ، وغياب ، ومحاكاة أعضاء مختلفة عند قياس معلمات فسيولوجية معينة. يجب أن يوفر جدول بيانات ESI Scaling ومناقشة كل مثال أدناه إرشادات لنهج عقلاني لتصميم أنظمة HoC / OoC المتكاملة.

مخ

هذا مهم لأن الدماغ معقد بشكل خاص ، والأدبيات مليئة ببيانات فسيولوجية غير متسقة. على سبيل المثال ، أحد المفاهيم الخاطئة الأكثر شيوعًا في فسيولوجيا الدماغ هو أن عدد الخلايا الدبقية يفوق عدد الخلايا العصبية بمقدار عشرة إلى واحد ، بينما في الواقع تبلغ نسبة الخلايا الدبقية القشرية الحديثة إلى الخلايا العصبية 1.2 ، وتتراوح نسبة الخلايا غير العصبية إلى الخلايا العصبية من 0.2 إلى 1.5 ، اعتمادًا على منطقة الدماغ. هذه النسب لها أهمية كبيرة عند بناء دماغ على رقاقة.

تنشأ العديد من هذه المفاهيم الخاطئة من صعوبة دراسة الدماغ. تتنوع أنسجة المخ بشكل كبير عبر الأنواع ، وبالتالي فإن دراسة المعلمات الفسيولوجية للقوارض أو الأدمغة الأخرى لن تعطي تمثيلًا دقيقًا لفيزيولوجيا الإنسان. يأتي أفضل فهم يمكننا اكتسابه من الدراسات غير البشرية من دماغ الرئيسيات. يؤدي التعقيد المعماري للدماغ أيضًا إلى تعقيد تحليل المعلمات البسيطة مثل كثافة الشعيرات الدموية وأرقام الخلايا. يمكن أن تعبر الخلايا العصبية مناطق متعددة من الدماغ. تم إحراز تقدم كبير في هذا الصدد من قبل Herculano-Houzel et al. ، باستخدام تقنية التجزيء الخواص ، 36 وسيستمر إجراء التحسينات باستخدام تقنيات تحليلية أكثر تقدمًا مثل الدماغ الشفاف الذي طوره مؤخرًا Chung et al. 37

كما يشير جدول ESI † Scaling Spreadsheet ، قد تحتوي المادة الرمادية والمادة البيضاء أيضًا على نسب مختلفة لأنواع الخلايا والاتجاهات. هذه المعلمات مهمة للقياس بطرق خاصة بمنطقة الدماغ. مهمة تجميع هذه المعلمات معقدة لأن معظم المجموعات التي تدرس الدماغ تقوم بإجراء قياسات تجريبية على منطقة معينة من الدماغ وليس على مقياس الدماغ بالكامل. بالإضافة إلى ذلك ، يصعب قياس معلمات التمثيل الغذائي مثل استهلاك الأكسجين لمناطق معينة من الدماغ ، لكن كثافة الشعيرات الدموية وتوزيع رقم الخلية أسهل بكثير في القياس لمناطق الدماغ المعزولة. لزيادة تعقيد جمع هذه المعلومات ، كان لا بد من تجميع العديد من هذه المعلمات من خلال دراسة مجموعات التحكم من المخطوطات التي تبحث في حالة مرضية معينة. أخيرًا ، ليس من الواضح أي من هذه المعلمات سيكون أكثر أهمية للهدف النهائي المتمثل في إنشاء ودمج دماغ على رقاقة. لذلك ، في جدول بيانات القياس ، نقدم أفضل فهم لدينا للمعلمات الفسيولوجية اللازمة ومصادرها للقارئ لتقييمها وتوظيفها حسب الضرورة. نتخيل أن جدول المعلمات هذا يتطور جنبًا إلى جنب مع فهمنا للدماغ البشري وتحديات بناء المراكز.

التحجيم الوظيفي للدماغ مدفوع إلى حد كبير بعملية التمثيل الغذائي. يمثل الدماغ في البشر 20٪ من الحمل الأيضي الكلي و 2٪ من كتلة الجسم الكلية. علاوة على ذلك ، فإن الطلب الأيضي النسبي للدماغ ينمو بشكل أبطأ من كتلة الجسم والدماغ (الأس التباين 0.873). 40،41 إجمالي استهلاك الطاقة من قبل الدماغ يختلف خطيًا مع عدد الخلايا العصبية في الدماغ بمعدل 5.79 × 10 −9 μmol الجلوكوز دقيقة −1 الخلايا العصبية −1 . 40 ومع ذلك ، فمن غير الواضح ما إذا كان يمكن لدماغ في المختبر (BoC) تلخيص معدل التمثيل الغذائي للحالة في الجسم الحي. لذلك ، نعتقد أن mHu و μHu BoC ، على سبيل المثال ، يجب تحجيمهما خطيًا بعدد الخلايا العصبية في دماغ الإنسان البالغ ، ويجب تحجيم المكونات المتبقية للدماغ وفقًا لمتطلبات التمثيل الغذائي لعدد الخلايا العصبية في بنك كندا. يتطلب التنظيم التلقائي لـ BBB بواسطة جميع المكونات الخلوية لـ NVU أيضًا القياس الصحيح لأرقام الخلايا في BoC والمناطق السطحية الشعرية فيما يتعلق بالطلب الأيضي للخلايا العصبية التي تدعمها. وفقًا للتركيب الخلوي للقشرة الدماغية ، يجب أن تتكون وحدة NVU من 1.2 خلية نجمية / خلية عصبية ، و 0.46 خلية وعائية / خلية عصبية ، و 0.2 خلية دبقية / خلية عصبية. 42

التحدي الأكبر في القياس الهندسي للدماغ هو إدراك كثافة الشعيرات الدموية للدماغ ، والتي تحتوي على واحدة من أكبر كثافة الشعيرات الدموية في أي عضو. يبلغ متوسط ​​عمر الإنسان البالغ ما بين 12 و 18 مترًا 2 BBB ، أو 150 إلى 200 سم 2 ز −1 من الأنسجة. ضرورة تزويد الخلايا العصبية بمثل هذه المساحة السطحية الشعرية العالية لكل خلية عصبية (174 ميكرومتر 2 الخلايا العصبية −1 ) سيتحدى تقنيات التصنيع ويكون أكثر جدوى في أنظمة ميكروفلويديك. 42،43 بالاشتراك مع الأوعية الدموية ، تغطي الحبيبات حوالي 30 ٪ (5 م 2 ، 667 سم 2 ز −1 ) والخلايا النجمية تغطي حوالي 99٪ (18 م 2 200 سم 2 ز −1 ) من السطح البطني للأوعية الدموية الدقيقة في الدماغ. 44-46

يمكن أن يمثل تحجيم تدفق الدم في BoC بالنسبة إلى OoCs الأخرى تحديات كبيرة. يبلغ معدل تدفق الدماغ البشري 7 لترات في الدقيقة −1 ، والتي تمثل 13٪ من إجمالي تدفق الدم. 47-50 يجب أن يتسع هذا الرقم وظيفيًا مع حجم وتمثيل الجسم لبروتينات الصوديوم من أجل توفير كمية كافية من الجلوكوز والأكسجين والعناصر الغذائية الأخرى وإزالة المستقلبات الناتجة. يجب أن تظل القيم مثل معدل التمثيل الغذائي المركزي للأكسجين (CMRO2) البالغ 3.2 مل / 100 جم دقيقة ثابتة مع انخفاض الحجم وستكون قراءة مفيدة لنجاح BoC. 47 عامل حاسم آخر هو الحفاظ على إجهاد القص عند الحاجز البطاني. يجب توفير تدفق الدم البديل إلى BoC مع منطقة مقطع شعري صغير بما يكفي للحفاظ على القص حوالي 1.5 باسكال دون معدلات تدفق حجمية مفرطة. 51-53 ستحدد هذه القيمة أيضًا معلمات الحرائك الدوائية للدماغ من خلال التأثير على وقت الإقامة وعدد البيكليت لشعيرات BoC الدموية.

باختصار ، يدور تحجيم BoC حول NVU ويركز على تقديم الطلب الأيضي الصحيح بالنسبة للأعضاء الأخرى وخصائص النقل الفريدة لـ BBB. مع تطور هذه التقنيات ، سيصبح أكثر وضوحًا أي من قوانين القياس هذه ضرورية للنجاح ، وأيضًا أين يمكن أو يجب كسر القياس لصالح التنفيذ الواقعي لهذه التقنيات للدراسات الروتينية.

قلب

تدعم المعلمات القلبية في ESI Scaling Spreadsheet العديد من مشكلات قياس القلب الرئيسية التي ناقشناها. على سبيل المثال ، إذا كان سيتم استخدام بنية القلب كمضخة فلويديك توفر وتدعم الدورة الدموية لبديل من خلال نظام OoC مقترن ، فإن المعلمات الوظيفية مثل سعة النقل وجزء الطرد وتقصير الخلية الكسرية تصبح قضايا تحجيم ذات أهمية قصوى أهمية. تم إنشاء جدول بيانات ESI Scaling للتحايل على الحاجة إلى البحث عن معلمات الأعضاء الفردية ، والتي غالبًا ما تختلف في جميع الأدبيات ونوع الأنواع. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام حجم العضو المطلوب لحساب قيم المعلمات التقريبية لعضو ذي حجم معين بسرعة بناءً على كل من القياس التفاضلي والوظيفي. وبالتالي ، يعد الجدول موردًا قيمًا لتقريب المعلمات الوظيفية والهيكلية بسرعة وكفاءة لتصميم OoC ، كما يسلط الضوء على عدد من مشكلات القياس التي يجب مراعاتها من حيث معايير التصميم.

تعتبر عوامل التركيب والكيمياء الحيوية ذات أهمية كبيرة في نمذجة أنسجة القلب في الثدييات ، والتي هي في جوهرها غير متجانسة ، وتحتوي على خلايا عضلية القلب ، وخلايا عضلية ليفية ، وخلايا عضلية وعائية ملساء ، وخلايا بطانية ، وخلايا عصبية من بين خلايا أخرى غير خلايا عضلية أقل وفرة. 59 تتفاعل جميع أنواع الخلايا هذه من خلال مجموعة متنوعة من العوامل الكيميائية الحيوية وآليات الإشارات للحفاظ على النمط الظاهري لخلايا عضلة القلب ووظيفة الأنسجة. 60-65 فيما يتعلق بمسارات الإشارات الأساسية هذه ، قد يحتاج المرء إلى النظر في المصادر الخارجية للعوامل البيوكيميائية التي يتم تحجيمها لكتلة بنية الأنسجة المستهدفة وحجمها وتكوينها. يجب على المرء أيضًا أن يأخذ في الاعتبار أن حجم بنية العضو سيحد من القدرة على إعادة إنشاء ميزات قلب الثدييات بدقة (على سبيل المثال ، إذا كان حجم بنية القلب يقتصر على 1-2 خلية ، كما هو مطلوب للقلب ، عندئذٍ لن يكون تحقيق شغاف القلب ودمج جميع أنواع الخلايا الأصلية ممكنًا ، في حين أن هذا قد يكون ممكنًا باستخدام قلب mHeart بسمك 15 عضلة).

يجب أيضًا مراعاة بنية الأنسجة والتمثيل الغذائي. يتم تنظيم الخلايا المتخصصة التي تتكون منها أنسجة القلب في بنية محددة للغاية تؤدي إلى تدرج كيميائي حيوي عبر البطانة يشكل حاجز الدم في القلب. علاوة على ذلك ، يتم محاذاة الألياف الموجودة في القلب في طبقات متباينة الخواص ، ملفوفة حلزونية تضفي خصائص ميكانيكية حيوية فريدة وديناميكية مكانية زمانية إلى أنسجة القلب. هذه المسألة ذات أهمية رئيسية عند التفكير في استخدام سقالة أو ركيزة كمنصة ثقافة ، حيث يمكن أن تؤدي خصائص الركيزة والأنسجة غير المتطابقة إلى انخفاض كبير في وظيفة مضخة القلب. بالإضافة إلى بنيته المعقدة ، فإن أنسجة القلب نشطة للغاية في عملية التمثيل الغذائي وتتطلب أكسجة كافية. وبالتالي ، يعد توسيع نطاق التمثيل الغذائي الخلوي مصدر قلق آخر ، حيث أن توازن العرض والطلب على الطاقة ضروري للحفاظ على وظيفة مضخة القلب. لتلبية هذا الطلب ، تحتوي أنسجة القلب الأصلية على شبكة كثيفة ومعقدة من الشعيرات الدموية لعضلة القلب التي تخترق بشكل متعامد من خلال عضلة القلب. ومع ذلك ، قد لا يكون تلخيص شبكة معقدة من الشعيرات الدموية ذات القطر الصغير ممكنًا في المختبر ، على الرغم من أن التطورات الأخيرة واعدة. نتيجة لذلك ، قد يكون استخدام الانتشار المستوي كافيًا في الوقت الحالي ، حيث إن انخفاض سماكة عضلة القلب المزروعة لأنسجة القلب المهندسة قد يسمح بالأكسجين الكافي دون نضح الأوعية الدموية.

يعد تدفق السوائل والتحفيز الميكانيكي الحيوي الآخر لأنسجة القلب جزءًا لا يتجزأ من مجموعة متنوعة من آليات التحكم الجوهرية في القلب. ينتج عن تقلص عضلة القلب المتزامن آليات ردود فعل ميكانيكية وكهربائية معقدة من خلال تنشيط القنوات التي يتم تنشيطها بالتمدد وتعديل معالجة الكالسيوم الخلوي ، ويستجيب شغاف القلب لكل من إجهاد قص السوائل والإجهاد الدوري النابض عن طريق إطلاق عوامل الغدد الصماء والباراكرين ، وتحول مستقبلات الضغط ردود الفعل الحسية في أشكال مختلفة من الإشارات الخلوية. في ظل ظروف قص السوائل العادية ، تتمتع خلايا العضلات الملساء البطانية والأوعية الدموية بمعدلات منخفضة نسبيًا من الانتشار ، في حين أن الظروف الديناميكية الدموية غير الطبيعية تؤدي إلى أنماط ظاهرية خلوية مرضية مرتبطة بعدد من أمراض القلب والأوعية الدموية. 68 لذلك فإن القياس المناسب للخصائص الميكانيكية الحيوية جنبًا إلى جنب مع ديناميكيات السوائل أمر بالغ الأهمية لنمذجة كل من أنسجة القلب الطبيعية والمرضية. من أجل تحقيق ضغوط قص السوائل الفسيولوجية في تركيبات القلب العاملة المصغرة ، يجب على المرء أن يطبق بشكل مناسب القياس الحجمي والمقاوم عن طريق تعديل معدلات التدفق ولزوجة الدم البديلة / الوسائط وفقًا لهندسة المفاعل الحيوي وبناء الأنسجة. لا تكتسب مشكلات القياس هذه أهمية إلا عند دمج تقنيات القلب على الرقاقة في التركيبات متعددة العضويات ، خاصةً إذا كان نسيج القلب مسؤولاً عن النتاج القلبي لإرواء شبكة الأعضاء بأكملها. هنا ، النتاج القلبي (على سبيل المثال ، حجم السكتة الدماغية ، ومعدل ضربات القلب ، وجزء القذف ، وما إلى ذلك) ، وحجم الأنسجة ، ومتطلبات التمثيل الغذائي والتروية للأنسجة الأخرى ، والمقاومة الطرفية الكلية ، وحجم الدم البديل المقيم ، كلها متغيرات يجب قياسها بشكل صحيح نسبيًا لبعضهم البعض. على الرغم من صعوبة ذلك ، فإن تحجيم المتغيرات البيولوجية لتكامل تراكيب الأعضاء البشرية المتعددة يوفر أساسًا لتصنيع تركيبات mHu أو μHu الوظيفية التي من شأنها تبسيط تطوير الأدوية واكتشافها وإنتاج بيئة مكروية خلوية أكثر واقعية من الثقافات أحادية الطبقة في أطباق بتري أو لوحات جيدة.

بشكل عام ، تستحق كل من مشكلات القياس هذه النظر في تصميم تركيبات القلب المهندسة ، وتحسين تقنيات القلب على الرقاقة ، ناهيك عن جميع تقنيات العضو على الرقاقة ، هو حل وسط بين الحقيقة والوظيفة. التجريد.

كلية

يوفر جدول بيانات ESI Scaling أمثلة ومراجع أدبية لمجموعة من العوامل الوظيفية والهيكلية التي يجب مراعاتها في قياس الكلى. أولاً وقبل كل شيء ، يجب أن يتوسع نموذج الكلى من أجل تصفية حجم الدم المتداول بشكل كافٍ في بنية HoC وتحقيق معدلات ذات صلة من الناحية الفسيولوجية للترشيح الكبيبي. ثانيًا ، يجب معالجة النموذج لتسهيل المعدلات الفسيولوجية لإعادة الامتصاص الجزئي ، وهو إنجاز صعب بسبب التناقضات الواسعة بين وظائف الجسم الحي والأداء في المختبر. توفر الكلية أيضًا مثالًا فريدًا لعضو يكون فيه الحفاظ على السمات الهندسية ، مثل آلية التيار المعاكس والمبادل ، أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق نموذج دقيق للكلية البشرية.

يبدأ التحجيم الوظيفي في الكبيبة. معدل الترشيح الكبيبي (GFR) في 70 كجم من الإنسان ينتج 125 مل دقيقة −1 من الترشيح الفائق وبالتالي 125 ميكرولتر دقيقة −1 في ملي إنسان وظيفي (mHu). 39 يمكن تحسين نسبة مساحة سطح مرشح الدم الكبيبي إلى مساحة السطح المسامية في النموذج لتحقيق معدل الترشيح هذا ، نظرًا لأن المرشح الفيزيائي سيكون مختلفًا عن المرشح البيولوجي.

تشكل إعادة التلخيص والتحجيم اللاحق للنقل المحدد ، والاستقلاب ، والغدد الصماء ، والأنشطة المناعية للأنابيب الكلوية تحديات هائلة في التصنيع والتحجيم. 69،70 نهج محتمل يبدأ بالتدرج الوظيفي لمعدل إعادة امتصاص المذاب النشط في النبيبات القريبة. على سبيل المثال ، يقوم الإنسان الذي يبلغ وزنه 70 كجم بترشيح 180 جرامًا يوميًا من الجلوكوز D ، والتي يتم امتصاصها كلها تقريبًا في النبيبات القريبة ، لذلك يجب أن تتوسع كلية mHu لتصفية ثم إعادة امتصاص حوالي 180 مجم من الجلوكوز يوميًا. 71 نظرًا لأن النشاط الأيضي وقدرات النقل النشط للخلايا القريبة في المختبر قد تختلف اختلافًا كبيرًا عن الكميات الموجودة في الجسم الحي ، يجب إجراء دراسات أولية في المختبر لتوصيف النمط الظاهري لخلايا الأنابيب البشرية القريبة في ألياف مفردة مجوفة. من هذه النتائج ، يمكننا التنبؤ بعدد الخلايا ومساحة السطح المطلوبة للقياس الوظيفي لإعادة امتصاص المذاب. يمكن أن يضمن التلاعب بالأبعاد الهندسية أو استخدام وحدات الأنابيب الدانية المتوازية أن نموذج الأنبوب القريب يمكن أن يتلقى الحجم المناسب من الترشيح الفائق من الوحدة الكبيبية.

على الرغم من أن تحجيم آلية تركيز البول يجب أن يشمل مفاهيم القياس الوظيفي ، يجب أن يولي النهج أيضًا اهتمامًا خاصًا لتوسيع نطاق البنية الحرجة لحلقة Henle. على الرغم من أن العلاقة بين طول الحلقة المطلق والقدرة على تركيز البول بين الأنواع محل نقاش كبير ، فإن إنشاء التدرج التناضحي القشري النخاعي مرتبط بشكل لا لبس فيه بإعادة الامتصاص النشط لـ Na + وكذلك الهندسة المعقدة لحلقة هنلي. في نهج مشابه لنموذج الأنبوب القريب ، يمكن تحقيق التحجيم الوظيفي في حلقة Henle عن طريق قياس معدل Na + إمتصاص. إعادة الامتصاص النشط لـ Na + بواسطة مضخات Na / K-ATPase الموجودة في الطرف الصاعد السميك لحلقة Henle (TAL) تدفع بشكل فعال H السلبي2يا إعادة الامتصاص في الطرف النازل. بالإضافة إلى ذلك ، تم تمييز مضخة Na / K-ATPase على نطاق واسع وقابلة للضبط مع مجموعة متنوعة من المواد المذابة والهرمونات والأدوية ، وبالتالي قد تكون بمثابة نقطة تعديل لأغراض القياس. 74 قد يكون القياس الناجح مستحيلًا بدون الحفاظ على السمات المعمارية مثل آلية التيار المعاكس والمبادل. يمكن استخدام النمذجة الحسابية لتحسين الطول ومساحة السطح إلى نسب الحجم اللازمة لإنشاء تدرج تناضحي مناسب من الناحية الفسيولوجية للإنسان ، من 300 إلى 1200 ملي أسمول بغض النظر عن الحجم. 75 بالإضافة إلى ذلك ، قد يساعد "التكييف المسبق" للحلقات الطويلة ذات الحلقات القصيرة ، كما يُرى في الجسم الحي بنسبة 85 قصيرة إلى 15 طويلة في البشر ، على زيادة القدرة على تركيز البول إلى أقصى حد. 73،76

تعتبر الكلية مثالاً ممتازًا لمفهوم تصميم OoC / HoC رئيسي: في حين أن القياس الوظيفي والكيميائي الحيوي قد يوفر أفضل نهج لتوسيع نطاق القسم النسيجي للإنسان ، لا يمكن تحقيق بعض وظائف الأعضاء دون التكاثر والتحجيم لبعض البنى الفسيولوجية.

كبد

ومع ذلك ، هناك معلمات تصميم مركزية توجد لها قوانين قياس تماثل القياس ، ولكن يمكننا أن ننحرف عنها بشكل مبرر من أجل القياس الوظيفي. بالنسبة للقياس الوظيفي ، نجادل بأن الكتلة الكبدية لن تتبع قانون القوة التماثلية وستمثل بدلاً من ذلك 1/10 3 أو 1/10 6 مما هو موجود في الإنسان العادي. على سبيل المثال ، على الرغم من وجود قانون القدرة التماثلية لاستهلاك الأكسجين ، فإننا بدلاً من ذلك نستخدم مقياسًا وظيفيًا نظرًا لأن الطلب الأيضي لكل خلية كبدية - تقريبًا 0.3 إلى 0.9 نانومول ثانية −1 /10 6 الخلايا - ستكون مكافئة في OoC المقاسة لدينا. 80،81 القيمة التماثلية لاستهلاك الأكسجين في mHu (O 2 = 0.035 م ب 0.69 ، مع م ب في g ، بحيث يكون استهلاك 60 جم ​​mHu للأكسجين الكبدي 0.59 ml دقيقة −1 ) يقلل من الاستهلاك عند مقارنته بنسبة وظيفية للإنسان العادي (2.06 مل دقيقة −1 ). 9 لاحظ أنه إذا كان نقل الأكسجين عبر الدم البديل غير كافٍ ، فيمكن استخدام نظام من الألياف المجوفة الكارهة للماء لزيادة تركيز الأكسجين الخلالي دون التأثير على حجم الخلالية أو الدم ، كما تم بنجاح كبير في الكبد. 82،83

بالإضافة إلى توصيل الأكسجين المناسب ، هناك أيضًا حاجة إلى زرع العدد المناسب من الخلايا مع التعرض الكافي لبديل الدم. تقع الخلايا الكبدية في الجسم الحي بجوار الفضاء المحيط بالجيني 1.4 ميكرومتر (أي مساحة Disse) ، والذي يفصل الخلايا الكبدية عن الشعيرات الدموية الجيبية التي يبلغ متوسط ​​قطرها 10 ميكرومتر وطولها 275 ميكرومتر. المخاوف المناسبة هي ما إذا كان النموذج الأطول والأكبر في المختبر لوحدة الجيوب الكبدية عبر مفاعلات حيوية من الألياف المجوفة (HF) سيؤثر على توصيل المغذيات ، ويخلق تدرجات أكسجين غير مرغوب فيها ، و / أو يضيف إلى الحجم الضروري نظرًا لقيود تصنيع HF. على الرغم من أن عدد خلايا الكبد اللازمة لوظيفة mHu يتم حسابه ليكون 3 × 10 8 الخلايا ، فمن غير الواضح ما إذا كانت تقنية HF الحالية يمكن أن تدعم ذلك. 83-85 لم يصل الكبد ثلاثي الأبعاد أو المصنوع من الألياف الدقيقة أو الألياف المجوفة بعد إلى تجميع العصارة الصفراوية الناتجة عن قنوات الكبد في القنوات الصفراوية.

سيحدث التحقق من صحة نماذج الملي والميكروليفر بشكل أساسي من خلال الارتباط التكراري في المختبر في الجسم الحي للتصفية الغريبة الحيوية. أجرت العديد من المجموعات دراسات الارتباط ، مع الاعتقاد العام بأن كل مركب دوائي ، بشكل غير مفاجئ ، قد يكون له قانون قوة التماثل الخاص به عبر الأنواع (بسبب الاختلافات الأيضية) وأيضًا عامل قياس مختلف (بسبب الافتراضات التي تم إجراؤها في نموذجهم مثل الانتشار الحواجز). 86-93 على سبيل المثال ، ناريتومي وآخرون. وجدوا أنه يمكنهم التنبؤ بمعدلات التصفية البشرية في الجسم الحي لثمانية مركبات نموذجية من بيانات الإنسان في المختبر باستخدام عامل تحجيم حيواني (Cl في الجسم الحي/ Cl في المختبر) من جرذ أو كلب. كانت عوامل القياس متشابهة عبر الأنواع لكل من المركبات الثمانية ، لكنها اختلفت من 0.3 إلى 26.6 ضعفًا بين المركبات. 89

في حين أن هذا الاختلاف قد يكون مزعجًا في تحليل المركبات غير المعروفة أثناء تقييم الأدوية ومراحل الاكتشاف ، فإن الوعي بمعلمات الإدخال المقاسة بشكل صحيح والتحليل الشامل لمجموعة واسعة من مركبات النموذج (على سبيل المثال ، أسيتامينوفين ، ديازيبام) سيساعد في بناء تنبؤي نماذج الحرائك الدوائية / الدوائية (PK / PD) لنظام OoC.

أخيرًا ، يلاحظ Boxenbaum في ورقة مبكرة حول القياس التفاضلي لمعدلات التخليص أن هذه النماذج قد لا تكون دقيقة ، خاصة عند الكتل الصغيرة ، حيث يتنبأ اعتراض المعادلة التفاضلية بمعدل خلوص غير صفري عند 0 جم. يعطي هذا الانهيار للنظرية التماثلية على المقياس الصغير والميلي مصداقية لضرورة القياس بناءً على وظيفة العضو. 22

يوفر جدول بيانات ESI † Scaling مجموعة من المتغيرات الوظيفية والهيكلية للرئة. تظهر التناقضات بين الأسس التماثلية انفصالًا بين البنية والوظيفة ، مما يوضح مشكلة جديدة عند إنشاء HoCs. كما ناقشنا ، قد تكون أنظمة الدعم الإضافية ، مثل المساعدة من أداة التشكيل الدقيقة ، ضرورية لضمان الهيكل / الوظيفة الأكثر دقة μLung بناء مدمج في HoC. لذلك ، يعد الجدول القوي لقيم القياس أداة مرجعية قيمة عند إجراء التنازلات الحتمية أثناء تصميم نظام OoC مقترن.

تم العثور على التحجيم التفاضلي في منطقة الشعب الهوائية في أقطار القصبة الهوائية والقصيبات. قياسًا للقياسات ، يبلغ قطر حراشف القصبات الطرفية أس 0.21 ، بينما يقيس نصف قطر القصبة الهوائية أس 0.39. ومع ذلك ، فإن هذا يمثل مشكلة: تم قياس μHu بشكل متباين ، حيث سيكون قطر القصبات الطرفية 30 ميكرومتر ، وهو قريب من الحد الحالي لتقنية التصنيع الدقيق الليثوغرافي الليثوغرافي ، وهي ألياف مجوفة مستخدمة لأنابيب الشعب الهوائية الأكبر ، بقطر لا يقل عن 200 ميكرومتر ، ستتطلب شبكة ميكروفلويديك ما يقرب من ستة وصلات ثنائية لتحقيق قطر 240 ميكرون. Either scaling laws must be broken or novel fabrication techniques 94 utilized to accommodate and create a viable μHu trachea/bronchi system. 9

Allometric scaling in the alveoli is critical as well. The most important function of the alveolus is oxygenation, so scaling should be addressed to meet oxygenation needs, if required for the MPS. The critical parameter to be properly scaled is surface area, as it is the main component of Fick's law and governs diffusion capacity across the alveolar-capillary barrier. Pulmonary diffusing capacity (DLO2) scales linearly with body mass with an exponent of ∼1. 95 This means that the DL02/body mass ratio is relatively constant in all mammals. Diffusing capacity is related to alveolar surface area, mean barrier thickness, and capillary blood volume, and the allometric coefficients are 0.95 for surface area, 0.05 for barrier thickness, and about 1 for capillary blood volumes. 95

To replicate a μHu, alveolar diameter would be 21 μm–an order of magnitude less than the average 200 μm diameter of a human. The diameter of a type 1 epithelial cell is around 20 μm. Thus any individual μHu alveolus would require only a single epithelial cell, 9,96 but the entirety of alveolae for a 0.1 μHu might well be modeled by a rectangular membrane of the appropriate area. 17 ، 18

Another scaling argument that should be considered is the mass-of-tissue to volume-of-media, in this case lung tissue volume to blood volume. Blood volume is linearly related to body mass in mammals (allometric exponent of 1). Thus scaling lung tissue surface area and blood substitute volume in the HoC depends on the total mass of the system, and if both are scaled correctly then oxygen concentration should be sufficient. If scaling is ignored, problems could arise with the surface area required to supply the blood with sufficient oxygen for metabolic needs. 95

A μLung would have 184000 cells in the alveolar region. Around 37% of those (the interstitial cells) could be eliminated, since only endothelial, type I and II cells, and macrophages are needed to create a functional alveolar-capillary unit. The correct percentage breakdown of cells is important to assure sufficient paracrine factors and surfactant production. 97–99

The scaling factor that appears to present the greatest challenge to a μLung is respiration rate. Were we to use allometric scaling, a μLung would have to inspire 643 times per minute to maintain proper oxygenation. Due to the strain this would put on a 1 μm thick polymer membrane, it is likely that this frequency would have to be slowed to prevent rupture. As a result, more surface area would need to be added or higher oxygen concentrations used to compensate for the loss of rate in order to maintain a minute volume of 0.17977 mL min −1 consumption of oxygen. This highlights the challenges of scaling, especially into the micro- and nano-scales, where the limitations imposed by non-biological fabrication technologies prevent meeting design parameters without violating scaling laws, 100 which could result in a less accurate abstraction. Hence it is critical to specify the desired lung functions and scale the device to achieve them.

دم

Allometric scaling of blood components gives some insight into how the surrogate should be constructed. The ESI† Scaling Spreadsheet corroborates the scaling issues that must be considered in designing a blood surrogate. First, it can be seen that the concentrations of blood remain virtually the same in organisms of all sizes: conveniently, the concentrations of a remarkably large number of blood components do not scale with body mass. 101 This means that the creation of a blood surrogate can benefit from the large body of work that has been completed on creating cell media. Second, it can be noted that blood volume scales linearly with mass thus, the total volume of the blood surrogate in an OoC/HoC device should be proportional to the entire size of the device. For all non-aquatic mammals, the blood volume is about 6–7% of the total body volume. 100 Scaling the blood surrogate volume with the size of the OoC/HoC device is necessary to ensure that signaling and other transported molecules are not excessively diluted and that the total mass of transported blood surrogate components is enough to support the organs. Third, the spreadsheet shows the critical functional parameters for ensuring that the cells behave in a physiological manner. The epithelial cells in contact with the blood surrogate must have the same shear stress that cells experience in the body to achieve the requisite polarization. In addition, the cells must experience the same levels of oxygen and carbon dioxide, which are dictated by the gas transport capabilities of the blood surrogate, in order to maintain the physiological metabolism of the cells. The physical properties of a number of different oxygen carriers are also shown. The spreadsheet is based upon the scaling of a complete system as discussed above, it may be necessary to correct for the hydrodynamic, metabolic, and chemical activity of organs that are not included in the system.

Hence, little should be changed in normal blood to form a blood surrogate. However, there are other scaling issues that must be considered to ensure that the cells in the mHu and μHu behave physiologically.

First, the blood surrogate must recapitulate physiological oxygen transport properties. Experiments have shown that the rate of oxygen delivery to the cells affects the cells' metabolic rate. 102 There are programmatic differences relative to the suitability of serum in an OoC/HoC system: the Defense Threat Reduction Agency (DTRA) program announcement 23 precludes the use of serum, whereas the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) program 103 does not. If simple serum-free aqueous culture media is used, the low concentration of dissolved oxygen in the media may limit metabolic rates and affect capillary surface-to-volume scaling. Therefore, the level of oxygen transport that cells experience in vivo as enabled by hemoglobin must be functionally mimicked with the blood surrogate. Were erythrocytes not used, perfluorocarbons and hemoglobin -based oxygen carriers may be very effective for achieving this. 104–106 If human or animal serum is not utilized, appropriate concentrations of carrier proteins such as albumin may be required to replicate organ-organ chemical communication.

For the purpose of supporting HoCs, the blood surrogate must maintain multiple cell types while also optimizing physiological processes. While there is no known universal serum-free media, a number of different formulations of minimal media can be used as a starting point for the creation of a medium that can support multiple cell types. 107,108 To achieve optimal cell functionality and longevity, supplements must be added to this minimal medium. 109

Although a number of effective medium formulations for the growth and maintenance of multiple cell types have been developed, these media mixtures have not been widely tested for interconnected HoCs. For OoC/HoC systems, this represents a significant challenge due to differential scaling, simultaneous maintenance of multiple cell types, and the recirculatory nature of HoCs. Logic dictates that during flow-through of the blood surrogate within a HoC, some components will be absorbed or metabolized, while others will be added to the blood surrogate, with a negative impact on downstream HoCs.

One method that has been successfully used to create a common blood surrogate for a number of different cells in an OoC/HoC first involves combining the established serum-free mediums of each cell type, which can be found in the literature, to create a base medium. Next, various other components, such as growth factors and supplements, are added to optimize for physiological functionality, based on a number of different physiological measures. Finally, since some of the components of the medium support one type of cell but hinder others, one of several different techniques is used to ensure that each organ receives an optimal subset of the components of the blood surrogate. تشانغ وآخرون. 108 demonstrated this method by creating a blood surrogate that supported four cultured cell types: liver (C3A), lung (A549), kidney (HK-2), and adipose (HPA). Another option is to grow cells in isolated OoC/HoCs on their preferred media, and then gradually, through controlled valves, wean them slowly from this media to the universal one.

In addition, some properties of blood and related structures that exist physiologically cannot yet be replicated with HoCs. For example, capillaries, which have relatively constant size across species, are too small to be recreated at present, so care must be taken to design the HoCs such that the physical characteristics of the blood surrogate, such as flow, volume, and shear stress, match those found in the tiny capillaries. It is imperative to match the wall shear stress in HoCs to that of microvessels to achieve the same mechanotransduction and gene expression in endothelial cells as in humans. 52 This might be addressed by self-organizing on-chip microvasculature. 66,67

Furthermore, it is important to understand PK/ PD scaling in order to add drugs to the HoC/OoCs at proper levels and to use the HoC/OoCs to predict the pharmacokinetics in humans. 2,3 The classical scaling relationship for drug /signal dosing is that the body's ability to use and metabolize drugs /signals varies with surface area. 110 But these scaling laws are critically dependent on the biochemical mechanisms and physical properties of the organs. 111 If the organs do not functionally mimic physiology, they could fail to predict the PK/PD of humans. Differences in drug transport and metabolism in the HoC can render typical allometric PK/ PD scaling useless. This can be seen clearly by the fact that PK/ PD varies significantly between infants and adults. 112

Finally, the blood surrogate will require supporting systems that can provide missing functionality required for blood surrogate and organ maintenance. As required, a microformulator 108 can provide media supplements specific to each organ. 108 The microformulator could be used to locally add media components to a particular organ. A size-exclusion filter or an affinity capture chamber or matrix (Donna Webb, personal communication) could be used to remove any toxic molecules produced by one organ before they reach other organs. Computer-controlled microformulators could also provide the regulated injection of molecules that cannot be maintained by the system alone and those from organs not in the HoC. 24,113

Cellular heterogeneity

عضو # of cell types, N نوع من الخلايا %
Brain (neocortex) 42 4 غليا 41%
الخلايا العصبية 33%
الأوعية الدموية 17%
الخلايا الدبقية الصغيرة 8%
المجموع 100%
Heart 59,60 5 Cardiomyocytes 55%
الليفية 25%
Vascular smooth muscle 10%
Endothelial 7.0%
عصبية 3.0%
المجموع 100%
Liver 116 4 الكيس الكبدي 60%
Sinusoidal endothelial 20%
كوبفر 15%
Hepatic stellate 5.0%
المجموع 100%
Lung (alveolar) 97 5 Endothelial 39%
بيني 29%
Type II epithelial 18%
Type I epithelial 11%
Alveolar macrophages 3%
المجموع 100%
Blood 117 6 Erythrocytes 99%
العدلات 0.50%
الخلايا الليمفاوية 0.30%
حيدات 0.050%
الحمضات 0.025%
خلايا قاعدية 0.007%
المجموع 99.9%

Figure 10.2.1

Maud_Stevens_Wagner -The Plaza Gallery, Los Angeles, 1907 from the Library of Congress on Wikimedia Commons is in the public domain (https://en.wikipedia.org/wiki/public_domain).

Figure 10.2.2

Anatomy_The_Skin_-_NCI_Visuals_Online by Don Bliss (artist) from National Cancer Institute, on Wikimedia Commons is in the public domain (https://en.wikipedia.org/wiki/public_domain).

Figure 10.2.3

Figure 10.2.4

National Geographic. (2008). Scarification | National Geographic. موقع يوتيوب. https://www.youtube.com/watch?v=Lfhot7tQcWs&t=1s

TED-Ed. (2018, March 12). The science of skin – Emma Bryce. موقع يوتيوب. https://www.youtube.com/watch?v=OxPlCkTKhzY&feature=youtu.be

TED-Ed. (2013, August 6). Why do we have to wear sunscreen? – Kevin P. Boyd. موقع يوتيوب. https://www.youtube.com/watch?v=ZSJITdsTze0&feature=youtu.be

The body system comprised of skin and its appendages acting to protect the body from various kinds of damage, such as loss of water or damages from outside.

The ability of an organism to maintain constant internal conditions despite external changes.

The major organ of the integumentary system that covers and protects the body and helps maintain homeostasis, for example, by regulating body temperature.

The outer layer of skin that consists mainly of epithelial cells and lacks nerve endings, blood vessels, and other structures.

A type of epithelial cell found in the skin, hair, and nails that produces keratin.

A tough, fibrous protein in skin, hair, and nails.

An undifferentiated cell that can develop into specialized types of cells.

A special skin cell that is responsible for producing melanin.

Oval-shaped mechanoreceptors essential for light touch sensation and found in the skin.

The inner layer of skin that is made of tough connective tissue and contains blood vessels, nerve endings, hair follicles, and glands.

One of the four basic types of tissue, connective tissue is found in between other tissues everywhere in the body, including the nervous system and generally forms a framework and support structure for body tissues and organs.

A filament made of tightly packed, keratin-filled keratinocytes that grows out of a hair follicle in the dermis of the skin.

An anatomical structure that consists of a small cluster of cells, surrounding a central cavity.

accessory organ of the skin made of sheets of dead keratinocytes at the distal ends of the fingers and toes


شاهد الفيديو: الفيديو السادس لمادة الأحياء العامة السكريات و البروتينات (شهر نوفمبر 2022).