Της Κωνσταντίνας Ζαμπουρίδου,
Διανύοντας την τρίτη δεκαετία του 21ου αιώνα η ιατρική επιστήμη έχει την ανάγκη να γίνεται όλο και πιο εξατομικευμένη. Για να συμβεί αυτό, πρέπει οι επιστημονικές έρευνες να γίνονται χρησιμοποιώντας μοντέλα, που είναι πολύ κοντά στον ανθρώπινο οργανισμό, για εξοικονόμηση χρόνου και χρημάτων. Μέχρι σήμερα αυτό γίνεται με τα πειραματόζωα, αυτά συνήθως είναι εργαστηριακά ποντίκια. Όπως είναι κατανοητό βέβαια, εκτός από τους λόγους βιοηθικής, που εμπλέκονται στο ζήτημα, τα πειραματικά αυτά μοντέλα δεν λειτουργούν εξ ολοκλήρου σαν τον ανθρώπινο οργανισμό και για αυτό πολλές θεραπείες, που φαίνεται να λειτουργούν στα ποντίκια, αποτυγχάνουν στις κλινικές δοκιμές. Υπάρχει, λοιπόν, η ανάγκη για τη δημιουργία ενός συστήματος, που είναι πολύ πιο κοντά στην ανθρώπινη φυσιολογία.
Τι θα λέγατε για τον ίδιο τον άνθρωπο;
Αυτό ακριβώς είναι που επιτυγχάνουν τα organ-on-a-chip (όργανο σε τσιπ), μία ακόμη πολύτιμη εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στον τομέα της έρευνας και της ιατρικής.
Τα organ-on-a-chip μέσω ενός συνδυασμού κυτταρικής βιολογίας, μηχανικής και τεχνολογίας βιοϋλικών προσφέρει ένα μικροπεριβάλλον, το οποίο προσομοιώνει αυτό του εκάστοτε οργάνου, από την άποψη της διεπαφής των ιστών και της μηχανικής διέγερσης. Πρόκειται για μία συσκευή, μεγέθους παρόμοιο με ένα στικάκι μνήμης για τον υπολογιστή μας, που, όμως, χωράει τη λειτουργία ενός ολόκληρου οργάνου! Το σύστημα μιμείται τη φυσιολογία και την παθοφυσιολογία του οργάνου, σε ένα μικρορρευστονικό (microfluidic) τσιπ. Η πλειοψηφία αυτών αποτελούνται από δύο επικαλυπτόμενα αιμοποιήσιμα μικροκανάλια, που διαχωρίζονται από μία ημιδιαπερατή μεμβράνη πολυμερών, η οποία επιτρέπει την ταυτόχρονη καλλιέργεια και επικοινωνία, δύο ή ακόμα και περισσότερων, τύπων κυττάρων σε ανεξάρτητους ρευστούς θαλάμους, με σκοπό να μιμηθεί τη φυσιολογική διαμερισματοποίηση των ιστών.
Φυσικά, κάθε σύστημα κυτταρικής καλλιέργειες απαιτεί τον έλεγχο, τόσο του εξωτερικού, όσο και του εσωτερικού περιβάλλοντος. Το organ-on-a-chip συνδυασμένο με την κυτταρική βιολογία, μέσω της μικροεπεξεργασίας, μπορούν να επιβάλλουν το επιθυμητό περιβάλλον κάθε φορά, συμπεριλαμβανομένου των κλίσεων της συγκέντρωσης, της διάτμησης των υγρών και της δυναμικής μηχανικής καταπόνησης, που υφίσταται τα πραγματικά όργανα ενός ανθρώπου. Το τσιπ φτιάχνεται από διάφορα υλικά, συνήθως από πλαστικό και τις περισσότερες φορές είναι διάφανο. Συμπερασματικά, είναι μία τεχνολογία που επιτρέπει στην επιστήμη για πρώτη φορά, να έχει μία πραγματικά αντιπροσωπευτική εικόνα, για την λειτουργία των ανθρώπινων οργάνων.
Αυτή τη στιγμή, βρίσκεται στην λίστα των δέκα περισσότερο υποσχόμενων τεχνολογιών της δεκαετίας και για αυτόν το λόγο μεγάλο ποσοστό της παγκόσμιας επιστημονικής σκηνής ασχολείται με αυτό. Βελτιωμένες μορφές αναζητούνται συνεχώς, από το υλικό που χρησιμοποιείται για να φτιαχτεί ένα τσιπ (δεν αποδίδουν όλα τα υλικά το ίδιο), μέχρι τις μελλοντικές προοπτικές που μπορεί να προσφέρει. Μία από αυτές είναι η δυνατότητα της διερεύνησης της στοχευμένης παράδοσης (συνήθως φαρμάκων) σε ιστούς και κύτταρα, αλλά και της θεραπευτικής αποτελεσματικότητας των εκάστοτε φαρμάκων σε συγκεκριμένο ιστό. Φυσικά, η τεχνολογία αυτή αποτελεί ένα μεγάλο βήμα προς την εξατομικευμένη ιατρική, αν συλλογιστεί κανείς ότι μπορεί να φτιαχτεί ένα organ-on-a-chip με τα κύτταρα του ασθενούς και να γίνουν οι απαραίτητες δοκιμές, με σκοπό να βρεθεί η φαρμακευτική αγωγή, που χρειάζεται ο ασθενής, χωρίς να υποβάλλεται ο ίδιος σε μία χρονοβόρα διαδικασία.
Η πιο φιλόδοξη, όμως, προσπάθεια των επιστημόνων, είναι η δημιουργία του human-on-a-chip (άνθρωπος σε τσιπ). Μιλάμε πλέον για ένα σύστημα πολλών organ-on-a-chip συνδεδεμένα, το καθένα αντιπροσωπεύει ένα όργανο και όλα μαζί, συναρμολογούν τον ανθρώπινο οργανισμό. Έτσι, θα γίνει δυνατή η μελέτη της αλληλεπίδρασης, που έχουν όχι μόνο τα κύτταρα, αλλά πλέον τα όργανα και τα συστήματα μεταξύ τους, οδηγώντας την έρευνα σε άλλα επίπεδα.
Αποτελεί γεγονός ότι η τεχνολογία του organ-on-a-chip είναι πολύ πρόσφατη και για αυτό η επιστημονική κοινότητα, ερευνά λύσεις, που μπορούν να δοθούν σε διάφορα προβλήματα που αντιμετωπίζονται. Για παράδειγμα, προσοχή δίνεται στα υλικά, που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των τσιπς, αφού πολλά νανοϋλικά φαίνεται να είναι ιδιαίτερα τοξικά για τα ανθρώπινα κύτταρα. Μία ακόμα παράμετρος που λαμβάνεται υπόψιν, είναι ο παράγοντας της επιφάνειας, αφού είναι πιθανό το τσιπ, λόγω της κατά πολύ μικρότερης επιφάνειας που έχει, να μην συμπεριφέρεται ακριβώς σαν το αντίστοιχο όργανο. Εξίσου σημαντικής σημασίας, είναι τα θέματα βιοηθικής, που προκύπτουν με την ευρεία χρήση αυτής της τεχνολογίας. Παρόλο που θα μειωθούν δραματικά οι δοκιμές σε πειραματόζωα, πράγμα θεμιτό, υπάρχουν ενδοιασμοί ότι η γενικευμένη χρήση αυτής της προοπτικής θεραπείας θα προκαλέσει ακόμα μεγαλύτερη διαστρωμάτωση στα κοινωνικά στρώματα, λόγω του κόστους της.
Εν κατακλείδι, παρέχοντας μία πλατφόρμα για την προσομοίωση της δομικής και λειτουργικής πολυπλοκότητας των ανθρώπινων ιστών και μονάδων οργάνων, με τρόπους, που δεν είναι εφικτοί με την παραδοσιακή κυτταρική καλλιέργεια, τα organs-on-a-chip προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη προοπτική θεραπείας και προσομοίωσης του ανθρώπινου οργανισμού. Παρόλο που υπάρχουν κάποια ανοιχτά ζητήματα για την ώρα, οι προοπτικές της τεχνολογίας αυτής -με αποκορύφωμα το human-on-a-chip-, που μοιάζουν να βγήκαν από κάποια ταινία επιστημονικής φαντασίας, είναι ικανές να εισάγουν μία νέα εποχή στην έρευνα και την ιατρική.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Organ-on-a-chip: recent breakthroughs and future prospects, BioMedical Engineering OnLine. Διαθέσιμο εδώ
- Organ-on-a-chip technology for nanoparticle research, pubmed. Διαθέσιμο εδώ
- Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine, nature reviews genetics. Διαθέσιμο εδώ
