مطالعه جالب اندام‌های بدن انسان روی یک تراشه

فناوری اندام روی تراشه می‌تواند با تقلید از رفتار اندام‌های بدن انسان، امکان آزمایش در شرایط واقعی را برای دانشمندان فراهم کند.

به نقل از فست کمپانی، آوردن یک داروی جدید به بازار، میلیارد‌ها دلار هزینه دارد و ممکن است بیش از یک دهه زمان ببرد. این سرمایه‌گذاری‌ها که هزینه و زمان بالایی را می‌طلبند، هم هزینه‌های سرسام‌آور مراقبت‌های بهداشتی امروزی را افزایش می‌دهند و هم موانع مهمی برای ارائه درمان‌های جدید به بیماران به شمار می‌روند. یکی از دلایل بزرگ ورای این موانع، مدل‌های آزمایشگاهی هستند که پژوهشگران در وهله اول از آن‌ها برای تولید دارو استفاده می‌کنند.

آزمایش‌های پیش‌بالینی یا مطالعاتی که اثربخشی و سمیت دارو را پیش از ورود به آزمایش‌های بالینی انسانی آزمایش می‌کنند، عمدتا روی سلول‌های کشت‌شده و حیوانات انجام می‌شوند.

هر دو مورد به دلیل توانایی ضعیف خود در تقلید از شرایط بدن انسان، با محدودیت‌هایی همراه هستند. سلول‌های کشت‌شده در یک ظرف آزمایشگاهی نمی‌توانند هر جنبه‌ای از عملکرد بافت مانند نحوه تعامل سلول‌ها در بدن یا پویایی اندام‌های زنده را تکرار کنند. در هر حال، حیوانات انسان نیستند و حتی تفاوت‌های ژنتیکی کوچک بین گونه‌ها می‌توانند به تفاوت‌های فیزیولوژیکی اصلی تبدیل شوند.

کمتر از هشت درصد پژوهش‌های موفق انجام‌شده روی حیوانات، برای درمان سرطان به آزمایش‌های بالینی انسانی می‌رسند. از آنجا که بیشتر مدل‌های حیوانی در پیش‌بینی اثرات دارو طی آزمایش‌های بالینی انسانی شکست می‌خورند، این شکست‌های صورت‌گرفته در مراحل پایانی می‌توانند هزینه‌ها و خطرات سلامتی بیمار را به طور قابل‌توجهی افزایش دهند.

پژوهشگران برای پرداختن به این مشکل، مدل امیدوارکننده‌ای را ارائه کرده‌اند که می‌تواند با دقت بیشتری از بدن انسان تقلید کند. این مدل، «اندام روی تراشه» (organ-on-a-chip) نام دارد.

اندام روی تراشه با توسعه بیشتر می‌تواند به پژوهشگران در بررسی بیماری‌ها و آزمایش دارو‌ها در شرایطی نزدیک‌تر به زندگی واقعی کمک کند.

اندام روی تراشه چیست؟

پژوهشگران در اواخر دهه ۱۹۹۰، راهی را برای لایه‌بندی پلیمر‌های الاستیک با هدف کنترل و بررسی سیالات در سطح میکروسکوپی کشف کردند. این امر به راه‌اندازی حوزه میکروسیال‌ها کمک کرد که برای علوم زیست‌پزشکی شامل استفاده از دستگاه‌هایی است که می‌توانند جریان پویای مایعات بدن مانند خون را تقلید کنند.

پیشرفت‌های صورت‌گرفته در میکروسیال‌ها، بستری را برای پژوهشگران فراهم کرده‌اند تا سلول‌هایی را کشت کنند که عملکرد نزدیک‌تری به عملکرد آن‌ها در بدن انسان دارند. این کار خود را به ویژه با اندام‌های روی تراشه نشان می‌دهد. تراشه به دستگاه میکروسیالی اشاره دارد که سلول‌ها را در بر می‌گیرد. این تراشه‌ها معمولا با استفاده از فناوری مشابه تراشه‌های رایانه ساخته می‌شوند.

اندام‌های روی تراشه نه تنها جریان خون در بدن را تقلید می‌کنند، بلکه دارای محفظه‌های ریزی هستند که به پژوهشگران امکان می‌دهند تا چندین نوع سلول را برای تقلید از سلول‌های موجود در یک اندام ادغام کنند. جریان سیال، این سلول‌های گوناگون را به هم متصل می‌کند و به پژوهشگران امکان می‌دهد تا نحوه تعامل آن‌ها با یکدیگر را مطالعه کنند.

این فناوری می‌تواند محدودیت‌های کشت سلولی و مطالعات حیوانی را از طرق مختلف برطرف کند. وجود مایعی که در این مدل جریان دارد، به آن امکان می‌دهد تا هم از تجربه سلول در بدن مانند نحوه دریافت مواد مغذی و حذف مواد زائد و هم از نحوه حرکت کردن دارو در خون و تعامل آن با چندین نوع سلول تقلید کند. توانایی کنترل جریان مایع نیز پژوهشگران را قادر می‌سازد تا دوز مناسب را برای یک داروی خاص تنظیم کنند.

به عنوان مثال، مدل ریه روی تراشه قادر است تا هر دو کیفیت مکانیکی و فیزیکی ریه انسان زنده را ادغام کند. این تراشه می‌تواند انبساط و انقباض یا دم و بازدم ریه را تقلید کند و رابطه بین ریه و هوا را شبیه‌سازی کند. توانایی تکرار این ویژگی‌ها به پژوهشگران امکان می‌دهد تا اختلالات ریه را بهتر بررسی کنند.

گسترش فناوری اندام روی تراشه

اگرچه اندام روی تراشه، مرز‌های تحقیقات دارویی در مراحل اولیه را جابه‌جا می‌کند، اما این فناوری به طور گسترده در توسعه دارو به کار گرفته نشده است. یک مانع اصلی برای پذیرش گسترده چنین تراشه‌هایی، پیچیدگی بالا و کمتر عملی بودن آن‌ها است.

استفاده از مدل‌های کنونی اندام روی تراشه، برای دانشمندان عادی دشوار است. همچنین، از آنجا که بیشتر مدل‌ها یک‌بارمصرف هستند و تنها اجازه بررسی یک ورودی را می‌دهند، مطالعه آن‌ها محدود می‌شود و پیاده‌سازی آن‌ها نیز به هزینه و زمان بیشتر و کار فشرده‌تری نیاز دارد.

سرمایه‌گذاری‌های زیاد مورد نیاز برای استفاده از این مدل‌ها ممکن است اشتیاق برای به کار گرفتن آن‌ها را کاهش دهند. از این گذشته، پژوهشگران اغلب از مدل‌هایی برای مطالعات پیش‌بالینی استفاده می‌کنند که کمتر پیچیده هستند تا زمان و هزینه را کاهش دهند.

ظهور فناوری چاپ سه‌بعدی نیز توسعه اندام روی تراشه را به طور قابل توجهی آسان کرده است و به پژوهشگران امکان می‌دهد تا کل بافت و مدل اندام را به طور مستقیم روی تراشه‌ها بسازند. چاپ سه‌بعدی برای نمونه‌سازی سریع و به اشتراک گذاشتن طراحی بین کاربران، ایده‌آل است و همچنین، تولید انبوه مواد استاندارد را آسان می‌کند.

اندام‌های روی تراشه می‌توانند پیشرفت‌هایی را در کشف دارو ایجاد کنند و به پژوهشگران امکان دهند تا درک بهتری را در مورد نحوه عملکرد اندام‌ها در سلامتی و بیماری داشته باشند. افزایش دسترسی به این فناوری می‌تواند آن را از مرحله توسعه در آزمایشگاه بیرون بیاورد تا خود را در صنعت زیست‌پزشکی نشان دهد.