Τι είναι ένα όργανο σε ένα τσιπ;

Ένα όργανο σε τσιπ (OOC) είναι μια μικροσκοπική, ημιδιαφανής συσκευή που είναι επενδεδυμένη με ζωντανά κύτταρα και ιστούς για να αναπαράγει τη φυσιολογία σε επίπεδο οργάνου μέσα στο σώμα.

Τα τσιπ υπολογιστών που μιμούνται την ανθρώπινη ζωή είναι μυθοπλασία, αλλά η εφευρετικότητα των σκληρά εργαζόμενων επιστημόνων έχει κάνει την τεχνολογία της φαντασίας πραγματικότητα. Γνωρίστε το organ-on-a-chip, μια μικροσκοπική συσκευή που συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα όργανο, μόνο που έχει το μέγεθος ενός τσιπ υπολογιστή!

Κινούμενο μοντέλο ενός πνεύμονα σε ένα τσιπ (Photo Credit :XOHDY/Shutterstock)

Πώς κατασκευάζεται το organ-on-a-chip;

Αν χωρίζατε το τηλέφωνο, το φορητό υπολογιστή ή τη CPU σας, θα βρείτε τόνους μικροσκοπικών ηλεκτρικών τσιπ. Αυτά τα τσιπ είναι τα λειτουργικά στοιχεία της συσκευής σας, όπως οι νευρώνες στον εγκέφαλο. Τώρα, φανταστείτε αν τα εσωτερικά μας όργανα ήταν τσιπ όπως αυτά.

Ανάπτυξη μικρορευστικού τσιπ

Οι ερευνητές από το Ινστιτούτο Wyss έκαναν ακριβώς αυτό! Συνεργάστηκαν με ειδικούς από διάφορους κλάδους για να κατασκευάσουν μια συσκευή μικρορευστοποιημένης καλλιέργειας που μοιάζει με μικροτσίπ υπολογιστή.

Ένα μικρορευστο τσιπ είναι κατασκευασμένο από ημιδιαφανές υλικό, όπως γυαλί ή σιλικόνη, και έχει το μέγεθος ενός μέσου USB stick υπολογιστή. Παρά το μικρό μέγεθός του, μπορεί να προσομοιώσει τέλεια τη λειτουργία ανθρώπινων οργάνων όπως η καρδιά, το έντερο, ο νεφρός, ο πνεύμονας κ.λπ.

Μικροσκοπικά κανάλια μέσα στο τσιπ (Πιστωτική φωτογραφία :luchschenF/Shutterstock)

Ονομάζεται «μικρορευστικό» επειδή έχει μικροσκοπικά, διασυνδεδεμένα κανάλια που περιέχουν υγρό χαραγμένο στο τσιπ. Αυτό το υγρό μιμείται χημικά το υγρό που υπάρχει στα ζωντανά όργανα.

Μέγεθος μιας καρδιάς σε τσιπ σε σύγκριση με μια δεκάρα (Πιστωτική φωτογραφία :Flickr)

Είναι μια «συσκευή καλλιέργειας» επειδή τα κανάλια μέσα στο τσιπ είναι επενδεδυμένα με τα κύτταρα του οργάνου. Έτσι, αν θέλατε ένα νεφρό σε ένα τσιπ, θα επενδύατε τα κανάλια του τσιπ με κύτταρα νεφρών, ενώ μια καρδιά σε ένα τσιπ θα χρησιμοποιούσε καρδιακά κύτταρα.

Αυτά τα κύτταρα αναπτύσσονται και σχηματίζουν ιστούς που τελικά μιμούνται τέλεια το μητρικό τους όργανο, με λίγη εξωτερική βοήθεια. Για όργανα όπως η καρδιά ή οι πνεύμονες, εφαρμόζεται μηχανική πίεση για την προσομοίωση της άντλησης και της αναπνοής, αντίστοιχα. Αυτές οι μικροσκοπικές συσκευές είναι τόσο σπουδαίοι αναστολείς οργάνων που έχουν ακόμη και τεχνητά αιμοφόρα αγγεία για να θρέψουν τα κύτταρα!

Kidney-on-a-chip (Πιστωτική φωτογραφία :University of Washington/Wikimedia Commons)

Βασικά, αυτά τα τσιπ είναι μια μινιατούρα εκδοχή ενός πραγματικού οργάνου, πλήρης με όλα τα διαφορετικά κυτταρικά στρώματα και βοηθητικά συστατικά όπως ένζυμα, ορμόνες, ακόμη και τοξίνες!

Πλεονεκτήματα του organ-on-a-chip

Προκειμένου να θεραπεύσουμε και να θεραπεύσουμε ασθένειες, πρέπει να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το σώμα μας. Η γνώση του τρόπου λειτουργίας των διαφορετικών οργάνων μεμονωμένα και παράλληλα είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη καλύτερων φαρμάκων και φαρμάκων.

Δεδομένου ότι η χρήση ανθρώπινων οργάνων δεν είναι ηθική αρχή, η ιατρική έρευνα χρησιμοποιεί αντ' αυτού οργανισμούς-μοντέλους όπως ποντίκια ή κουνέλια, των οποίων η φυσιολογία μοιάζει πολύ με το ανθρώπινο σύστημα. Αυτά τα ανυπεράσπιστα ζώα μολύνονται με ασθένειες, ώστε οι επιστήμονες να μπορούν να μελετήσουν πώς η ασθένεια επηρεάζει τα όργανα ή να δοκιμάσουν μια πιθανή θεραπεία. Όλα αυτά γίνονται για την προστασία της ανθρωπότητας, αλλά αμέτρητα ζώα θυσιάζονται στη διαδικασία.

Οι προσπάθειες συχνά καταλήγουν μάταιες, καθώς τα μοντέλα ζώων δεν αντιγράφουν πάντα αξιόπιστα το ανθρώπινο σώμα.

Ως εκ τούτου, αυτές οι μελέτες σε ζώα δεν είναι σε θέση να προβλέψουν ικανοποιητικά τις ανθρώπινες αποκρίσεις, παρά το γεγονός ότι συχνά κοστίζουν περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια δολάρια για μία μόνο ένωση.

Καλλιέργεια κυττάρων σε πλάκες καλλιέργειας ιστών (Φωτογραφία :Hakat/Shutterstock)

Κυτταρικές καλλιέργειες

Οι επιστήμονες έχουν την επιλογή να χρησιμοποιήσουν κυτταροκαλλιέργειες. Οι κυτταρικές καλλιέργειες είναι βασικά ανθρώπινα κύτταρα που αναπτύσσονται και διατηρούνται σε πλαστικό πιάτο. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές μπορούν να γεφυρώσουν το χάσμα μεταξύ των δοκιμών σε ζώα και της δυνατότητας εφαρμογής τους στον άνθρωπο.

Ωστόσο, οι κυτταρικές καλλιέργειες εξακολουθούν να είναι 2D αντίγραφα ιστών ανθρώπινων οργάνων και αποτυγχάνουν να ανακεφαλαιώσουν τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν σε ένα ζωντανό ανθρώπινο σώμα που αναπνέει. Σε αντίθεση με ένα όργανο σε ένα τσιπ, τα κύτταρα που αναπτύσσονται σε καλλιέργεια δεν εκτίθενται στο δυναμικό περιβάλλον του σώματος και επομένως δεν είναι απολύτως αξιόπιστοι προγνωστικοί παράγοντες της απόκρισης οργάνων.

Αυτή η νέα τεχνολογία μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως τα πειράματα σε ζώα, καθώς μπορούν να παρέχουν πιο ακριβή και αξιόπιστα προκλινικά δεδομένα. Τα OOC επιτρέπουν αλληλεπιδράσεις μέχρι τα συστατικά χαμηλότερου επιπέδου, όπως ιστοί, κύτταρα, πρωτεΐνες και γονίδια. Αναδημιουργούν με ακρίβεια θεραπευτικά σχετικά χαρακτηριστικά με σκοπό τη διερεύνηση χορήγησης φαρμάκων και την εξερεύνηση νέων θεραπευτικών οδών.

Η ημιδιαφάνεια των τσιπ είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για να δούμε πώς τα κύτταρα ανταποκρίνονται σε μια μόλυνση σε πραγματικό χρόνο. Για παράδειγμα, πνευμονικές λοιμώξεις όπως αυτές που προκαλούνται από τον ιό της γρίπης μπορούν να αναπαραχθούν με την ελπίδα να εντοπιστεί μια θεραπεία.

Lung-on-a-chip (Προσφορά φωτογραφίας:Πανεπιστήμιο Harvard/Wikimedia Commons)

Το OOCs επιτρέπει επίσης στους ερευνητές να διερευνήσουν πώς οι περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως η ρύπανση και ο καπνός του τσιγάρου επηρεάζουν τη φυσιολογία των ατόμων. Για παράδειγμα, ένας πνεύμονας σε ένα τσιπ μπορεί να υποβληθεί σε καπνό που προέρχεται από μια μηχανή καπνού. Οι στήλες στο τσιπ παρατηρούνται για την εναπόθεση σωματιδίων και τυχόν μπλοκαρίσματα.

Σχηματική απεικόνιση ενός πνεύμονα σε ένα τσιπ (Προσφορά φωτογραφίας :Μελέτιος Βέρρας/Shutterstock)

OOC έχουν εκτοξευθεί ακόμη και με πυραύλους στο διάστημα! Τα διαστημικά ταξίδια επηρεάζουν την ανθρώπινη φυσιολογία με περισσότερους από έναν τρόπους, αλλά αυτά τα τσιπ μπορούν να μας βοηθήσουν να τα αναγνωρίσουμε όλα.

Όλα αυτά και πολλά άλλα είναι δυνατά χωρίς να κινδυνεύουν ανθρώπινες ή ζωές!

Συμπέρασμα

Το Organ-on-a-chip είναι ο τέλειος συνδυασμός βιολογίας, μηχανικής και τεχνολογίας και λύνει ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει ο ερευνητικός κόσμος. Κρίσιμες βιολογικές μελέτες και δοκιμές φαρμάκων μπορούν να γίνουν μόνο με τη μελέτη οργάνων στην πραγματική κατάσταση που λειτουργούν στο σώμα. Ακόμα κι αν αγνοήσουμε τις δυσκολίες διατήρησης ενός οργάνου έξω από το σώμα, τα ανθρώπινα όργανα είναι πολύ πολύτιμα για πειραματική χρήση. Έχουν μεγάλη ζήτηση για σκοπούς μεταμόσχευσης και δεν μπορούν να «σπαταληθούν» για ερευνητική χρήση. Η εισαγωγή της τεχνολογίας OOC κατάφερε να καλύψει αυτό το κενό. Οι ερευνητές της Wyss έχουν επίσης αναπτύξει έναν τρόπο σύνδεσης των διαφόρων OOCs, όπως πνεύμονα σε τσιπ, καρδιά σε τσιπ, νεφρό σε τσιπ, κ.λπ., για να αναπτύξουν συνδυασμένο «Ανθρώπινο σώμα σε τσιπ» chips», που είναι χρήσιμο για μια ολοκληρωμένη ανάλυση της ανταπόκρισης ενός σώματος στα φάρμακα.

Human Body-on-chips (Πιστοποίηση φωτογραφίας:NCATS/Wikimedia Commons)