Ανθρώπινα όργανα σε τσιπ !

Η τελευταία λέξη της ιατρικής έρευνας: τσιπ, που λειτουργούν ως ανθρώπινα όργανα. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι θα αντικαταστήσουν τα πειραματόζωα και επιταχύνουν την ανάπτυξη νέων, εξατομικευμένων θεραπειών.

Όχι δεν πρόκειται για επιστημονική φαντασία. Οι επιστήμονες έχουν ήδη δημιουργήσει μοντέλα εργασίας για μια ολόκληρη σειρά οργάνων, όπως το ήπαρ, οι πνεύμονες και ακόμη και το γυναικείο αναπαραγωγικό σύστημα.

Οι ερευνητές, όπως ο Donald Ingber, ιδρυτικός διευθυντής του Ινστιτούτου Βιολογικών Εμπνευσμένων Μηχανικών Wyss στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα τσιπ για να διευκολύνουν την ανάπτυξη φαρμάκων.

Πνεύμονες

Στο Ινστιτούτο Wyss, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει περίπου 15 διαφορετικά ανθρώπινα όργανα σε τσιπ. Π.χ. έχουν φτιάξει ένα τσιπ, που μιμείται τη λειτουργία ενός πνεύμονα. Πρόκειται για ένα τσιπ πνευμονικών κυψελίδων γεμάτα με αέρα (κίτρινα) και με αίμα (μπλε) κανάλια, αμφότερα επενδεδυμένα με ανθρώπινα κύτταρα.

«Η καινοτομία που ενσωματώσαμε βασίστηκε στο έργο μου που έδειξε ότι οι μηχανικές δυνάμεις είναι εξίσου σημαντικές με τις χημικές ουσίες και τα γονίδια για την ανάπτυξη ιστού, τη συντήρηση και τη λειτουργία», λέει ο Ingber. «Αυτό το τσιπ παρείχε την απόδειξη της αρχής για τη φυσιολογία και την ασθένεια του κανονικού οργάνου, ανακαλύπτοντας νέες ιδέες για τη σημασία των σωματικών δυνάμεων, την εξεύρεση νέων θεραπευτικών στόχων και ακόμη και ενός νέου φαρμάκου”.

Μία από τις τελευταίες εφευρέσεις του ινστιτούτου είναι ο αεραγωγός σε τσιπ, ο οποίος είναι παρόμοιος με τον αρχικό τσιπ πνευμόνων, εκτός από το ότι αντί των κυψελιδικών κυττάρων, η συσκευή είναι επενδεδυμένη με ανθρώπινα βρογχικά επιθηλιακά κύτταρα.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε αυτό το τσιπ για να μοντελοποιήσει τη χρόνια αποφρακτική πνευμονοπάθεια και το άσθμα. Έχουν χρησιμοποιήσει ακόμη αυτή τη συσκευή για να μελετήσουν τις επιπτώσεις του καπνίσματος στο βρογχικό επιθήλιο συνδέοντας το σε μια μηχανή που καίει τσιγάρα και εισπνοές και εκπνέει καπνό, όπως ακριβώς ένας καπνιστής.

Εγκέφαλος

Μια άλλη ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον John Wikswo, βιοϊατρικό μηχανικό στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt, δημιούργησε ένα τσιπ για να μελετήσει τον εγκέφαλο και τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό. Ο αιμαοεγκεφαλικός φραγμός είναι εκείνος, που περιορίζει την είσοδο ουσιών στον εγκέφαλο.

Το επονομαζόμενο τσιπ NVU αποτελείται από μια μικροσκοπική κοιλότητα που διαιρείται με μια πορώδη μεμβράνη που χωρίζει έναν θάλαμο, ο οποίος αντιπροσωπεύει τον εγκέφαλο, από έναν άλλο θάλαμο, ο οποίος αντιπροσωπεύει το περιβάλλον αγγειακό σύστημα. Περιέχει φλοιώδεις νευρώνες, μικροαγγειακά ενδοθηλιακά κύτταρα, αστροκύτταρα και πεπτίδια από τον άνθρωπο.

Η ομάδα του Wikswo χρησιμοποίησε αυτό το τσιπ NVU σε διάφορες εφαρμογές, όπως η διερεύνηση των καταστάσεων ασθενειών και η μελέτη των επιπτώσεων της φλεγμονής. Επί του παρόντος, ξεκινούν επίσης ένα πρόγραμμα για τη χρήση αυτής της τεχνολογίας για τη δοκιμή φαρμάκων στη φαρμακευτική βιομηχανία.

Καρδιά

Η Megan McCain, καθηγήτρια βιοϊατρικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας, εργάζεται με καρδιές σε τσιπ: μικρές συσκευές διαμετρήματος γόμας που στεγάζουν «ζωντανά», καρδιακά κύτταρα. Για να δημιουργήσουν αυτές τις συσκευές, οι ερευνητές πρώτα παίρνουν τα κύτταρα του δέρματος από τους ασθενείς και τα επαναπρογραμματίζουν σε βλαστικά κύτταρα που αργότερα αναπτύσσονται σε καρδιακά κύτταρα.

Στη συνέχεια τοποθετούν αυτά τα κύτταρα σε τσιπ που περιέχουν βιοτεχνολογικές επιφάνειες που αναδημιουργούν το φυσικό περιβάλλον της καρδιάς. Επί του παρόντος, η ομάδα της επικεντρώνεται στη χρήση αυτών των συσκευών για τη μελέτη άλλων ασθενειών.

Μάτια

Ο Dan Huh, καθηγητής βιοϊατρικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, και οι συνάδελφοί του δημιούργησαν ένα μάτι σε τσιπ με ένα βλέφαρο που ανοιγοκλείνει! Αυτό το τσιπ, που είναι περίπου το μέγεθος και το σχήμα ενός φακού επαφής, προσεγγίζει την οφθαλμική επιφάνεια του ματιού.

Περιέχει ανθρώπινα κύτταρα από τον κερατοειδή και τον επιπεφυκότα (το βλεννογόνο στρώμα που καλύπτει το μάτι). Η ομάδα δημιούργησε επίσης ένα βλέφαρο, το οποίο προσκολλάται στην επιφάνεια και επιτρέπει στο μάτι να αναβοσβήνει…

Σύμφωνα με τον Huh, η πλατφόρμα χρησιμοποιείται για να μιμηθούμε ορισμένες χρόνιες παθήσεις των ματιών, όπως η ξηροφθαλμία. Το εργαστήριό του σκοπεύει επίσης να χρησιμοποιήσει αυτό το τσιπ για να μοντελοποιήσει άλλες συνθήκες ματιών, για δοκιμές και ανάπτυξη φαρμάκων και βελτιστοποίηση των φακών επαφής. Η ομάδα αναπτύσσει ακόμη ένα αμφιβληστροειδή σε τσιπ!

Ομάδα οργάνων

Πολλές ομάδες ερευνητών στοχεύουν στη σύνδεση διάφορων τσιπ οργάνων για να αναδημιουργήσουν συστήματα οργάνων ή ακόμα και ολόκληρο το ανθρώπινο σώμα. Η Teresa Woodruff, καθηγήτρια μαιευτικής και γυναικολογίας στο Πανεπιστήμιο Northwestern, και οι συνεργάτες της έχουν συνδέσει πέντε μικροσκοπικά όργανα μαζί σε ένα τσιπ μεγέθους χεριού για να μοντελοποιήσουν το γυναικείο αναπαραγωγικό σύστημα!

Το τσιπ, που ονομάστηκε EVATAR, είναι μια σειρά από σωλήνες και αντλίες που φέρουν ένα μπλε ρευστό (αίμα) και 5 μίνι όργανα: ένα φαλλοπιανό πόρο, μια μήτρα, έναν κόλπο, μια ωοθήκη και ένα ήπαρ. Με την προσθήκη ορμονών στο κυκλοφορούν υγρό, η ομάδα μπόρεσε να μιμηθεί τον 28ήμερο εμμηνορροϊκό κύκλο!

Οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το EVATAR για να διασαφηνίσουν την αναπαραγωγική φυσιολογία και τις ασθένειες, καθώς και για τη δοκιμή και ανάπτυξη φαρμάκων. Επίσης, εργάζονται σε μια αρσενική έκδοση του τσιπ, που λέγεται ADATAR.

Η Linda Griffith, καθηγήτρια βιολογίας στο MIT και συνεργάτες της, είναι μια από τις δύο ομάδες που εργάζονται σε έργο που χρηματοδοτείται από την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Έργων (DARPA) της αμερικανικής κυβέρνησης για τη δημιουργία «σώματος σε τσιπ», που αποσκοπούν στη σύνδεση 10 διαφορετικών συστημάτων μικρο-οργάνων σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Η άλλη ομάδα βρίσκεται στο Ινστιτούτο Wyss.