اعضای بدن انسان روی تراشه‌های الکترونیکی، پژوهش انسانی با مدل غیرحیوانی

https://wyss.harvard.edu/technology/human-organs-on-chips

مترجم: دکتر پارسا جهانی _ دامپزشک

دستگاه‌های ریز_سیال (میکرو_سیال/Microfluidic) که با سلول‌های زنده پوشیده شده‌اند، برای تولید دارو، شبیه‌سازی بیماری و «پزشکی شخصی» (Personalized Medicine) مورد  استفاده قرار می‌گیرند.

یک سیستم چند اندامی که به یک نرم‌افزار متصل است. هر دیواره حاوی یک دستگاه فیزیولوژیکی مینیاتوری می‌باشد، مانند ریه، روده، یا دستگاه عصبی مرکزی. مایعی که در کانال‌ها جریان دارد، برون‌ده قلبی را شبیه‌سازی می‌کند.

مطالعات بالینی برای بررسی یک ترکیب دارویی سال‌ها  به طول انجامیده و بیش از ۲ میلیارد دلار هزینه خواهد داشت. در ضمن  تعداد زیادی حیوان در فرایند سنتی استفاده از مدل‌های حیوانی جان خود را از دست می‌دهند، و این روند در بیشتر موارد نمی‌تواند پاسخ احتمالی بدن انسان را پیشگویی کند زیرا مدل‌های حیوانی اغلب به‌طور دقیق پاتوفیزیولوژی (آسیب‌شناسی) انسان را تقلید نمی‌کنند. به همین دلایل، نیاز شدیدی به طراحی روش‌های جایگزین جهت مدل‌سازی بیماری‌های انسانی در محیط آزمایشگاهی(In Vitro) وجود دارد، تا بتوانند تولید داروهای جدید را سرعت بخشیده و «پزشکی شخصی» را توسعه و پیشرفت دهند.

ارائه  هنرمندانه‌ای از رویکرد ((انسان بر روی تراشه)) در فضای آزمایشگاهی. دستگاه‌های زیست‌مهندسی شده‌ای که با تغذیه محیط کشت‌های سه بعدی، کوچکترین واحد عملکردی اندام‌های مورد نظر را شبیه‌سازی می‌کنند.ندانه‌ای از رویکرد (( انسان بر روی تراشه )) در فضای آزمایشگاهی. دستگاه های زیست مهندسی شده‌ای که با تغذیه محیط کشت‌های سه بعدی، کوچکترین واحد عملکردی اندام‌های مورد نظر را شبیه‌سازی می‌کنند.

پژوهشکران مؤسسه «ویس» (Wyss) با همکاری تیمی از متخصصین رشته‌های مختلف، روش‌های تولید ریزتراشه‌های رایانه‌ای را برای تولید دستگاه‌های ریز­_سیال‌ (میکرو_سیال) که ساختار و عملکرد اندام‌های زنده انسانی همانند شش‌ها، روده‌ها، کلیه‌ها، پوست، مغز استخوان و سد خونی مغزی شبیه‌سازی می‌کنند، مطابقت دادند. دستگاه‌های مذکور که به آن‌ها «تراشه‌های عضوی » (Organs-on-Chips یا  Organ Chips) گفته می‌شود، راهکار جایگزین جدیدی را به جای روش‌های سنتی آزمایش روی حیوانات پیش روی ما قرار داده است. هر یک از «تراشه‌های عضوی» از پلیمر انعطاف‌پذیری که حدوداً به اندازه یک کارت حافظه کوچک هستند، تشکیل شده‌اند. «تراشه‌های عضوی» دارای کانال‌هایی  توخالی بسیار ریزی هستند که با سلول‌های زنده مخصوص هر اندام پوشانده شده‌اند.

تراشه‌های اندامی Emulate، مانند این تراشه مغز، حاوی کانال های باریکی هستند که با هزاران سلول و بافت زنده انسانی پوشانده‌شده‌اند. اندازه هر تراشه تقریبا به اندازه یک باتری قلمی می‌باشد.

بافت حاصل از پلیمر و سلول‌ها به وسیله عروق مصنوعی به سلول‌های آندوتلیال متصل شده است. و می‌توان از نیروهای مکانیکی برای تقلید و بازسازی طبیعی ریزمحیط‌ اعضای زنده مانند حرکات ناشی تنفس کردن در شش‌ها یا تغییر شکل‌های مشابه حرکات لوله گوارشی  (peristalsis-like)در روده استفاده کرد. «تراشه‌های عضوی» در حقیقت مقاطع سه بعدی زنده از واحد‌های عمل‌کردی اعضای زنده واقعی هستند، که به دلیل شفاف بودن‌شان، منظر جدیدی برای مطالعه بر عمل‌کرد داخل سلول‌های انسانی در بافت زنده اعضای مختلف، می‌گشایند.

به دلیل امکان میزبانی و ترکیب انواع سلول‌ها جهت تشکیل بافت‌های تشکیل دهنده اعضای مختلف، تراشه‌های عضوی یک ریزمحیط ایده‌آل را برای مطالعه فعالیت اعضای بدن انسان در سطح سلولی مولکولی به وجود آورده‌اند. در این تراشه‌ها ضمن شبیه‌سازی سطوح مختلف بیماری‌ها در داخل یک عضو، فعالیت‌هایی بررسی می‌شوند که باعث اختلال در عملکرد طبیعی اعضا شده و همچنین بدین وسیله اهداف درمانی جدید داروها را نیز، می‌توان در محیط آزمایشگاهی شناسایی نمود. تراشه‌ها، نواحی ارتباطی درمانی مربوطه  مانند سدخونی مغزی (برای ورود داروها از خون به درون بافت مغز) یا سطوح ارتباطی آلوئول‌های تنفسی (برای ورود داروهای استنشاقی) را نیز به منظور پژوهش برای دارو_رسانی و نیز کشف درمان‌های جدید، شبیه‌سازی می‌کنند.

تراشه ریه با شبیه‌سازی و تقلید رفتار پیچیده مکانیکی و بیوشیمیایی بافت ریه انسان، امکان بررسی دارو را در محیط آزمایشگاه فراهم می‌کند.

همچنین می‌توان از تراشه‌های عضوی برای کشت یک میکروبیوم زنده طولانی مدت در تماس مستقیم با سلول‌های زنده روده انسان استفاده کرد تا چگونگی تاثیر میکروب‌ها بر سلامت و بیماری بررسی شود. مثال دیگر مدل‌سازی، بروز عفونت در شش‌ها در اثر ویروس آنفولانزا است که برای شناسایی نقاط ضعف این بافت در برابر ویروس، مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین فرصت‌های جدیدی برای بررسی تاثیر عوامل محیطی مانند دود سیگار بر سلامت ساختار و عملکرد بافت دستگاه تنفسی بیماران خاص  نیز به وجود آمده‌ است. در تراشه‌های به‌کار رفته برای این نوع از بررسی، از دستگاه‌هایی استفاده می‌شود که دقیقاً رفتار سیگار کشیدن انسان را شبیه‌سازی می‌کنند، تا تاثیر دود سیگار را بعد از ورود به مسیرهای هوای تراشه ریه نشان دهد.

پژوهشگران «ویس» (Wyss) برای  تقلید و شبیه‌سازی ارتباط متقابل اعضای بدن انسان، وسیله خودکاری ساخته‌اند که می‌تواند چندین تراشه عضوی را به واسطه جابه‌جایی مایعات در کانال‌های عروقی مشترک‌شان به یکدیگر متصل کنند. این وسیله که به منظور تقلید فیزیولوژی کل بدن طراحی شده‌است، جریان مایع و حیات سلول‌ را کنترل می‌کند در حالی که هم‌زمان اجازه مشاهده بافت‌های کشت شده و تجزیه و تحلیل واکنش‌های پیچیده و مرتبط به‌هم بیوشیمیایی و فیزیولوژیک در ۱۰ عضو را به پژوهشگران می‌دهد. رویکرد جامع «بدن انسان روی تراشه‌ها» برای پیش‌بینی پاسخ‌های احتمالی فرماکوکینتیک و فارماکودینامیک انسانی (PK/PD) داروها در محیط آزمایشگاهی استفاده می‌شود.

تصویر تراشه ای از یک واحد عصبی-عروقی(NVU)، مدلی از سد خونی _مغزی انسانی. یک غشای متخلخل که محفظه ای که مغز را شبیه سازی شده می‌کند، از رگ های اطراف که مدل‌سازی شده‌اند، جدا می‌کند.

مجوز این فناوری را شرکتی نوپا به نام «امولیت» که توسط «موسسه ویس» تاسیس شده،  ثبت کرده است و هم‌اکنون در حال توسعه و تجاری‌سازی بیشتر فناوری «تراشه‌های عضوی» و دستگاه‌های خودکار است تا این ابزارهای مهم پژوهشی را به شرکت‌های زیست‌فناوری، داروسازی، آرایشی و بهداشتی و همچنین موسسات دانشگاهی و بیمارستان‌هایی که از روش «پزشکی شخصی» استفاده می‌کنند، وارد کند. تراشه های عضوی در حال حاضر در سراسر جهان به‌عنوان ابزاری برای پیش‌بینی دقیق کارایی و سمیت داروها، با هدف بهبود چشمگیر دقت و تاثیر دارو در آزمایش‌های پیش درمانگاهی مورد کاوش و پژوهش قرار گرفته‌اند.

اکنون «موسسه ویس»  تمرکز خود را بر توسعه مدل‌های تخصصی بیماری‌های انسانی , و ارتقای سکوی تراشه‌های عضوی، جهت کشف راز و رمز آن به وسیله یک برنامه‌ محاسباتی رایانه‌‌ای برای شناسایی درمان‌های جدید، نشانگرهای زیستی بالینی، تسهیل در تولید واکسن و توسعه سیستم‌های دارو_رسانی نوین و اختصاصی یک عضو می‌باشد. بعلاوه پژوهشگران «موسسه ویس» به کمک مهندسی سلول‌های بنیادین انسان که توانایی تمایز یافتن به انواع سلول‌های تخصصی روی تراشه را دارند، در حال کاوش قابلیت‌های کاربردی فنآوری تراشه عضوی در «پزشکی شخصی» می‌باشند. همچنین آنان به‌دنبال بکارگیری یک سیستم تولید دیجیتال برای ساخت خودکار تراشه‌های عضوی و افزایش پیچیدگی دستگاه‌ها هستند، همانند ساخت اولین عضو روی چیپی (چیپ قلب) که کاملا به روش پرینت‌ سه‌بعدی  با کمک سنسورهای نرم یک‌پارچه ساخته شد.