اندام تراشه ، یکی از ده فناوری برتر در حال ظهور!

کد مطلب: ۹۹۰۷۰۴۰۶‌‌
اندام تراشه یا Organ on a chip یکی از ده فناوری برتر در حال ظهور به حساب می‌آید. اندام تراشه یک سیستم biomimetic از اندام فیزیولوژیک است که روی یک تراشه میکروسیال قرار دارد. در واقع Organ on a chip دستگاهی است که یک یا چند محفظه میکروسیال موسوم به تراشه دارد.
این تراشه‌ها حاوی انواعی از سلول در محیط سه بعدی هستند.
ترکیبی از علوم بیولوژی سلولی، مهندسی و فناوری زیست ماده در ساخت اندام تراشه دخیل هستند. فناوری Organ on a chip ویژگی‌های ساختاری و عملکردی بافت انسان را نشان می‌دهد. این تکنولوژی می‌تواند پاسخ به مجموعه‌ای از محرک‌ها از جمله واکنش‌های دارویی و اثرات محیطی را پیش بینی کند.

برای آشنایی با این تکنولوژی با تیم تحریریه علمی شتابدهنده دارویی هنام همراه باشید.

اهمیت مطالعه فیزیولوژی:

میکروسیال تکنولوژی است که مایعات را در مقیاس ریز دستکاری و پردازش می‌کند.
فیزیولوژی انسان دانش مطالعه عملکردهای بدن انسان و اندام‌های آن است. این امر برای درک اختلال عملکرد و پاتوژنز بدن بسیار مهم است. علم فیزیولوژی با حوزه پزشکی، تولید دارو و سم شناسی ارتباط تنگاتنگی دارد. مستقیم‌ترین روش مطالعه فیزیولوژی انسان، آزمایش‌های in vivo است که اندام‌های انسانی یا مدل آن را مطالعه می‌کنند. عملکرد بدن به تعامل و سازگاری بسیاری از اجزای سطح پایین مانند بافت‌ها، سلول‌ها، پروتئین‌ها و ژن‌ها متکی است.
بنابراین آشکار کردن مکانیسم‌های اساسی پدیده‌های فیزیولوژیکی به سادگی و تنها از طریق مطالعات in vivo بسیار چالش برانگیز است.

سیستم کشت سلول دو بعدی:

توسعه دارو و سم شناسی نیاز به ارزیابی اثرات فیزیولوژیکی هزاران ترکیب دارد.
با توجه به محدودیت‌های مطالعات in vivo، زیست شناسان از کشت سلول آزمایشگاهی استفاده می‌کنند. کشت سلولی، رشد و نگهداری سلول‌ها در یک محیط کنترل شده است. برای دهه‌ها ، سیستم‌های کشت سلول دو بعدی (۲D) سنتی یک بستر مهم برای تحقیقات علوم را تشکیل می‌دادند. با استفاده از سیستم‌های دو بعدی، عملکرد سلول‌های مختلف با کشت سلول‌ها یا محصولات سلول بررسی می‌شود. با این حال‌، سیستم‌های دو بعدی موفق به شبیه سازی دقیق تظاهرات فیزیولوژیکی بافت‌ها و اندام‌های زنده، فعل و انفعالات درون اندام‌ها و عوامل محیطی جزئی نمی‌شوند. این آزمایشات اغلب نیاز به تأیید در مدل‌های حیوانی داخل بدن دارند.
به دلیل تفاوت گونه‌ها، نتایج آزمایشات حیوانی و  آزمایشات انسانی در اغلب موارد مشابه نیستند.
از طرفی هزینه‌های بالا و مسائل اخلاقی نیز استفاده از حیوانات به عنوان مدل آزمایش دارو را محدود می‌کنند.

در آزمایشات پیش بالینی، توصیف ناکافی از محیط بافت انسان ممکن است منجر به پیش‌بینی نادرست عملکرد کلی بافت شود. فناوری اندام تراشه با ارائه سیستم‌های بیشتری از مدل‌های فیزیولوژیکی برای غلبه بر این کاستی ها طراحی شده است.
اندام تراشه به عنوان یک فناوری جایگزین آینده برای مدل‌های حیوانی تجربی مطرح می‌شود.

اندام تراشه چیست؟

اندام تراشه یا Organ on a chip دستگاهی است که یک یا چند محفظه میکروسیال زیست سازگار موسوم به تراشه دارد. تراشه‌ها شامل انواع مختلفی از سلول در حالت سه بعدی هستند. این سلول‌ها به اندازه سلول‌های موجود در بافت‌ها با محیط اطراف خود تعامل دارند. طراحی اندام تراشه به سلول‌های موجود در آن اجازه می‌دهد به طور مداوم پرفیوژن مکانیکی یا الکتریکی داشته باشند. این فرآیند باعث شبیه سازی فیزیولوژی بدن و یا پاتولوژی بیماری در سطح اندام می‌شود. حتی می‌توان تراشه‌های حاوی اندام مختلف را به هم پیوند داد. در شرایطی که به عنوان مثال کبد یک ترکیب را به متابولیتی که روی کلیه، مغز و قلب تاثیر می‌گذارد، تبدیل می‌کند، پیوند اندام تراشه‌ها اهمیت زیادی می‌یابد.
از این ویژگی برای مطالعات بررسی سمیت دارو استفاده زیادی می‌شود.

چه چیزی Organ on a chip را متمایز می‌کند؟

سلول‌ها در محفظه میکروسیال اندام تراشه در شرایط کنترل شده و استریل رشد می‌کنند.
جریان میکروسیال می‌تواند مواد مغذی، داروها، سلول‌های ایمنی، باکتری‌ها و یا ویروس‌ها را در صورت لزوم وارد تراشه کند. هم‌چنین رگ‌های خونی مصنوعی با جریان خون واقعی یا سنتتیک می‌تواند در تراشه جای‌گذاری شود.
در Organ on a chip امکان دستکاری فیزیکی محیط سلول فراهم می‌شود. به عنوان مثال با تغییر سختی محیط سلول (مانند استخوان)، تغییر فشار و استرس (مانند عضله یا جریان خون) یا ایجاد نوسان فشار خلا (مانند بافت ریه یا ضربان قلب).
این علائم مکانیکی از اهمیت بالایی در شبیه سازی دقیق اندام‌ها برخوردار هستند.
در اندام تراشه امکان نظارت مولکولی و عملکردی وجود دارد. یکی دیگر از ویژگی‌های این فناوری فراهم سازی امکان تصویربرداری میکروسکوپی از سلول‌های زنده در هر زمان است.

چرا به اندام تراشه نیاز داریم؟

یکی از مهم‌ترین مشکلات صنعت داروسازی در تولید داروهای جدید، محدودیت سیستم‌های مدل انسانی برای مطالعات پیش بالینی به منظور بررسی هدف دارویی، اثر دارو و سمیت آن است. این عامل هم‌چنان یکی از دلایل عمده تولید زمان‌بر و گران دارو و شکست در مطالعات بالینی است. حیوانات یا سلول‌های آزمایشگاهی (حتی اگر انسانی باشند) با شیوه مشابه داخل بدن انسان به داروها پاسخ نمی‌دهند.
تکنولوژی اندام تراشه که بر اساس سلول‌های انسانی طراحی شده، ممکن است راه‌حل‌هایی برای مقابله با این چالش‌ها ارائه دهد.

مفاهیم در طراحی اندام تراشه:

مفهوم طراحی اندام تراشه:

سیستم‌های کشت نیازمند کنترل محیط داخلی و خارجی سلول هستند.
اندام تراشه با کنار هم قرار دادن micromachining و بیولوژی سلولی، می‌تواند پارامترهای خارجی را کنترل کند. به این ترتیب Organ on a chip قادر است محیط فیزیولوژیکی را به طور دقیق شبیه سازی کند. در این فناوری به تنش مکانیکی ـ دینامیکی، برش مایع (fluid shear) و شیب غلظتی روی تراشه نیاز داریم.
هم‌چنین الگوی سلول باید به دقت شناسایی شود تا بتواند فرآیندهای فیزیولوژیکی را به طور کامل منعکس کند.

نیروی برشی مایع:

میکروسیالات از طریق میکروپمپ‌هایی، باعث پویایی مایعات و انتشار آن‌ها در اندام تراشه می‌شوند.
این امر امکان مدیریت مواد مغذی و تخلیه به موقع مواد زاید را فراهم می‌کند. علاوه بر این، تنش برشی مایع (fluid shear stress) باعث القای قطبیت در اندام می‌شود. اندام تراشه با فعال کردن مولکول‌های سطح سلول و آبشارهای سیگنالینگ همراه، فشار فیزیکی لازم را بر سلول‌ها اعمال می‌کند. اختلاط مایعات در Organ on a chip امکان ارزیابی بیولوژیکی در سطح یک اندام را فراهم می‌کند.
اندام تراشه جریان را از طریق یک “rocker” ساده و یا از طریق یک قالب “pulsatile” ضربان دار، ایجاد می‌کند.

شیب غلظتی:

در مقیاس میکرو، مایع در ابتدا مانند یک جریان laminar و آرام عمل می‌کند.
در نتیجه یک شیب پایدار از مولکول‌های بیوشیمیایی هم از نظر مکانی و هم از نظر زمانی ایجاد می‌شود. در پدیده‌هایی  از جمله رگ‌زایی، تهاجم و مهاجرت سیگنال‌های بیوشیمیایی مختلفی که توسط شیب غلظت هدایت می‌شوند، وجود دارد. میکروسیالات با تغییر سرعت جریان و شکل کانال‌ها می‌توانند فرآیندهای پیچیده فیزیولوژیک بدن انسان را شبیه سازی کنند.
در نتیجه این اعمال، یک شیب غلظتی بیوشیمیایی پایدار در محیط سه بعدی اندام تراشه ایجاد می‌شود.

تنش مکانیکی ـ دینامیکی:

فشار طبیعی روزانه روی یک اندام شامل فشار خون، فشار ریه و فشار استخوان است.
این فشارها نقش مهمی در حفظ بافت‌های تحت فشار مکانیکی مانند عضله اسکلتی، استخوان، غضروف و رگ‌های خونی دارند. میکروسیالات استفاده از غشاهای متخلخل الاستیک را برای ایجاد تنش‌های مکانیکی دوره‌ای امکان پذیر می‌سازد. این تحریک مکانیکی تعیین کننده اصلی تمایز در طی فرآیندهای فیزیولوژیکی است.

الگوی سلول در اندام تراشه:

سازماندهی بدن نیاز به یک آرایش پیچیده و منظم از چند سلول دارد تا سیستم عملکردی کل بدن تشکیل شود. برای طراحی الگوی سلول در اندام تراشه از اصلاحات سطحی، الگوها و چاپ سه بعدی استفاده می‌شود. چاپ سه بعدی با تشکیل داربست‌های هیدروژل با کانال‌های پیچیده، طراحی الگوی سلول در چند مقیاس را امکان پذیر می‌کند. مزیت چاپ سه بعدی این است که به امکان ایجاد قابلیت‌های متنوعی در الگوهای سلولی را فراهم می‌کند.

اندام تراشه تکنولوژی جدیدی است که می‌تواند انجام بسیاری مطالعات را آسان تر کند.
بسیاری از محققین آینده‌ روشنی برای این فناوری پیش بینی می‌کنند. اما سوال اینجاست که آیا اندام تراشه می‌تواند جایگزین مطالعات حیوانی شود؟
برای پاسخ به این سوال و آشنایی با کاربردهای اندام تراشه، در مقالات بعدی همراه ما باشید!

منابع:

• Biomedcentral
• Harvard
• Hdmt