رفع محدودیت‌های کشف دارو با فناوری body-on-chip

محققان فناوری جدید body-on-a-chip را توسعه داده‌اند که می‌تواند فارماکوکینتیک‌ و فارماکودینامیک‌ داروها را در شرایط پیش کلینیکی و بدون نیاز به آزمایش روی حیوانات نشان دهد. تیمی به سرپرستی مؤسسه مهندسی بیولوژیکی Wyss دانشگاه هاروارد، اولین فناوری تراشه اندامی را ایجاد کرده‌اند که سطح سیستم فیزیولوژی و پاتوفیزیولوژی انسانی را با دقت بالا تکرار می‌کند. دکتر Donald Ingber، مدیر این مؤسسه، گفت: “اندام‌های مرتبط درون مدل body-on-a-chip می‌توانند پیش‌بینی کنند که چه رژیم‌های دارویی اثربخشی بهتری در اندام مورد نظر دارند در حالی‌ که سمیت در اندام‌های دیگر را هم به حداقل می‌رسانند”.

برآوردهای فعلی پیش‌بینی می‌کند که کم‌تر از 15 درصد از کل داروهای آزمایش شده موفقیت بالینی نهایی را نشان می‌‌دهند و مورد تأیید سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) قرار گرفتند. توسعه یک داروی انتخابی از مرحله پیش بالینی، هیچ معنا و مفهومی ندارد و بسیار مهم است که داروها قبل از رسیدن به مراحل بالینی کاملاً غربالگری شوند تا از صرفه‌جویی در زمان و هزینه اطمینان حاصل شود. علاوه بر این، افزایش نگرانی‌های اخلاقی پیرامون استفاده از مطالعات حیوانی، محققان را ترغیب می‌کند تا روش‌های آزمایش ترکیبات را برای اثبات اثربخشی آن‌ها قبل از عدم موفقیت در آزمایش‌های بالینی شناسایی کنند. یک راه‌حل برای این مسئله، فناوری “body-on-a-chip” (تراشه اندامی) است. 

دکتر Ben Maoz، همکار نویسنده اول مطالعه و عضو سابق توسعه فناوری در انستیتوی Wyss: “ما امیدواریم که این ابزار بتواند به عنوان یک ابزار حمایتی برای آزمایشگاه‌ها و شرکت‌های دارویی، برای افزایش میزان موفقیت آن‌ها در مرحله بالینی عمل کند و آن‌ها را قادر به آزمایش دارو روی یک مدل مرتبط با انسان کند.”

نیاز به مدل‌های حیوانی

در آزمایش‌های پیش کلینیکی برای توصیف فارماکوکینتیک یک ترکیب دارویی، که شامل میزان جذب، توزیع، متابولیسم و ​​دفع آن (ADME) می‌شود، نیاز به مدل‌های حیوانی است. همه این عوامل، غلظت دارو را در خون تعیین می‌کنند.

فارماکودینامیک یکی دیگر از دلایل استفاده از مدل‌های حیوانی در توسعه دارو است. اثرات دارو روی اندام(های) هدف خود که زمینه مکانیسم عملکرد آن است، اجازه مشاهده هرگونه عوارض جانبی را می‌دهد. محققان سپس می‌توانند تصمیم بگیرند که داروی انتخابی آن‌ها به چه میزان برای آزمایش بالینی مناسب و بی‌خطر است.

تراشه‌های اندامی چیستند؟

ماهیت آزمایش داروی پیش کلینیکی دارای محدودیت‌هایی است و برهم‌کنش‌های خاصی را نمی‌توان به طور کامل در مطالعات حیوانی و استاندارد در شرایط آزمایشگاهی پیش‌بینی کرد. به عنوان مثال، فعل و انفعالات ارگان‌های انسانی و نشانه‌های مکانیکی همه جنبه‌های مهم اثرات دارویی هستند و این موارد را نمی‌توان در حیوانات مورد مطالعه قرار داد.

برای پرداختن به این موضوع، در سال 2010، محققان مؤسسه Wyss یک تراشه ارگانی با دستگاه‌های کشت میکروفلوئیدی ساخته شده از یک پلیمر قابل انعطاف شفاف به اندازه یک پیچ حافظه کامپیوتری ساختند که شامل دو کانال توخالی موازی با عرض کم‌تر از 1 میلی‌متر بود که توسط یک غشای متخلخل از هم جدا می‌شدند.

در یک طرف، در کانال پارانشیمی، کشت‌های سلولی اختصاصی در اندام وجود داشتند در حالی‌ که طرف دیگر کانال حاوی سلول‌های اندوتلیال عروقی بود که از رگ‌های خونی تقلید می‌کردند. هر کانال به طور مستقل با محیط اختصاصی سلول خون‌رسانی می‌شد.

غشای متخلخل به دو بخش اجازه ارتباط با هم را می‌دهد تا مولکول‌هایی مانند سیتوکین‌ها، فاکتورهای رشد و داروها، هم‌چنین محصولات تجزیه‌کننده دارویی که توسط فعالیت‌های متابولیکی خاص اندام ایجاد می‌شوند، با هم مبادله کنند. توسعه این ارگان مینیاتوری محققان را قادر ساخت تا فناوری تراشه اندامی خود را توسعه دهند که آن‌ها را برای برداشتن گام‌های بعدی ترغیب می‌کند.

توسعه یک body-on-a-chip

محققان سپس احتمال ایجاد یک body-on-a-chip را پیشنهاد کردند. آن‌ها انتقال مایعات بین کانال‌های عروقی تراشه‌های مختلف اندامی برای تقلید جریان خون و یک پمپ متصل به تراشه‌ها برای فراهم کردن جریان ثابت مواد مغذی را پیشنهاد دادند. این کار به دانشمندان امکان ارزیابی فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک دارو را در کل سیستم مرتبط به هم می‌دهد.

در سال 2012، آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) برای توسعه 10 تراشه ارگانی که منعکس‌کننده‌ی کارکردهای 10 ارگان مختلف است درخواست کمک مالی کرد. دلیل اصلی این پروژه ایجاد بستری برای تسریع در توسعه اقدامات متقابل دارویی در وضعیت تهدید بیولوژیک بود. محققان به دنبال درخواست بودجه از DARPA، یک ابزار خودکار شامل اجزای مختلف و مرتبط را مهندسی کردند که قادر به تشکیل یک الگوی body-on-a-chip عملکردی انسانی بود. آن‌ها هم‌چنین از مدل‌سازی محاسباتی در ترکیب با داده‌های آزمایشگاهی تولیدشده با استفاده از این فناوری برای پیش‌بینی رفتار دارویی در محیط in vitro استفاده کردند.

به گفته‌ی Ingber: “ما بسیار مفتخر بودیم که از DARPA حمایت مالی زیادی را به دست آوردیم تا این چالش را برعهده بگیریم و اکنون حتی بیش‌تر مفتخریم که هدف آن‌ها را با موفقیت برآورده کنیم.”

برنامه‌ریزی برای مراحل بعدی

این تیم تحقیقاتی یک پلت‌فرم body-on-a-chip کاملاً مدولار ارائه داده‌اند که توسط دستگاه انتقال مایع روباتیک به نام ” Interrogator’ ” فعال شده است. این دستگاه می‌تواند تا 10 تراشه اندامی مختلف را کشت و مایعات را بین کانال‌های عروقی اندوتلیوم منتقل کند تا جریان خون طبیعی انسان بین ارگان‌ها را تقلید کند.

در پژوهشی دیگر، این تیم تحقیقاتی یک روش مقیاس‌سازی محاسباتی را برای ترجمه داده‌های به دست آمده از آزمایش‌های دارویی مربوط به تراشه‌های اندامی به ابعاد نسبی آن‌ها در بدن تعیین کرد. این رویکرد می‌تواند از لحاظ کمی تغییرات سطوح دارویی را در هر زمان و نیز سمیت‌های خاص ارگان را که قبلاً در بیماران انسانی اندازه‌گیری شده بودند، پیش‌بینی کند.

ابزار Interrogator’ از کنترل‌کننده مایع روباتیک، نرم‌افزار مرسوم و یک میکروسکوپ متحرک پیچیده برای کشت خودکار، پرفیوژن، ارتباط دهنده فلوئیدیک، جمع‌‌کننده نمونه و تصویربرداری میکروسکوپی situ تراشه‌های ارگانی استفاده می‌کند.

این امر به تیم امکان می‌دهد که بافت‌های کشت شده زنده انسانی را روی یک سیستم تراشه‌ی چند ارگانی توسط انتقال جریان مواد مغذی از تراشه به تراشه به میزان یک قطره در یک زمان، انجام دهند. آن‌ها هم‌چنین می‌توانند با استفاده از قابلیت انتقال مایع دستگاه، محیط را به روشی کاملاً قابل برنامه‌ریزی اضافه کرده و نمونه‌برداری کنند، در حالی‌که به طور مداوم بافت را با میکروسکوپ مانیتور می‌کنند.

به گفته Richard Novak، نویسنده اول هر دو مطالعه و مهندس عالی ارشد در مؤسسه Wyss: “در این مطالعه، ما به طور سریالی کانال‌های عروقی هشت تراشه ارگانی مختلف از جمله روده، کبد، کلیه، قلب، ریه، پوست، سد خونی‌مغزی و مغز را با استفاده از یک جایگزین خونی بسیار مطلوب ارتباط دادیم؛ در حالی‌که کانال‌های منفرد ساخته‌شده توسط سلول‌های خاص اندام را خون‌رسانی می‌کنند. این ابزار زیست‌پذیری تمامی بافت‌ها و عملکردهای خاص ارگانی آن‌ها را برای بیش از سه هفته حفظ کرد و مهم‌تر از همه، به محققان این امکان را می‌داد که توزیع اختصاصی یک ماده شیمیایی در بافت را در سراسر سیستم به طور کمّی پیش‌بینی کنند.

Ingber گفت: “مزیت این روش که اتصال لوله‌هاست این است که می‌توانیم هم به صورت مایع این تراشه‌ها را برای تولید فیزیولوژیکی یه جفت body-on-chip انسانی ارتباط دهیم و هم این‌که از این جریان در هر نقطه از سیستم نمونه‌برداری کنیم.”

آزمایش تراشه

محققان از ابزار Interrogator برای حمایت از دو شکل مختلف از سه تراشه اندامی استفاده کردند. این‌ها به یکدیگر و نیز به مخزن مخلوط‌کننده مایعات شریانی و وریدی (AV) متصل شده بودند که امکان جریان واقعی خون و تبادل دارو بین اندام‌های فردی را فراهم می‌آورد.

آن‌ها با جفت کردن یک تراشه روده انسان با یک تراشه کبد و کلیه، نیکوتین را وارد کردند که به عنوان یک داروی خوراکی برای بیماری‌های عصبی و التهابی روده مورد بررسی قرار گرفته است. این به کانال تراشه روده اضافه شده بود که توسط اپیتلیوم روده‌ای برای شبیه‌سازی مصرف خوراکی استفاده شد. ابتدا از عرض دیواره روده عبور کرد و از طریق سیستم عروقی به کبد که در آن متابولیزه می‌شود، سپس به کلیه که محل دفع آن است منتقل شد.

محققان با استفاده از تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی جرمی، سطوح نیکوتین را در مخزن AV اندازه‌گیری کرده و در کانال‌های عروقی همه تراشه‌های اندامی از بین بردند. معادلات فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک توسط محققان مطابقت داده شد تا در تراشه‌های اندامی قابل اجرا باشد. آن‌ها اعتبار این معادلات را روی تراشه‌های اندامی بدون سلول ارزیابی کردند تا ببینند این مدل شامل نیروهای صحیح و ویژگی‌های فیزیکی سیستم بوده یا خیر و سپس آن را با سلول آزمایش کردند.

آن‌ها سپس داده‌ها را طی یک روش مقیاس‌بندی زیست‌تقلید جدید که به تازگی توسعه یافته، وارد کردند که اطلاعات را از ابعاد تراشه‌های اندام به ابعاد اندام منتسب به آن‌ها در بدن انسان ترجمه می‌کرد. Ingber توضیح داد که این مدل می‌تواند مانند پراکنش دارو در اجزای سیستم، مشابه با تلفات دارو در ذخایر چربی در هنگام تجویز دارو به بیماران، به حساب آورده شود.

نتایج محاسباتی در ترکیب با داده‌های تجربی تراشه ارگانی انسانی، توانایی مدل‌سازی جذب و سوخت و ساز دارو را نشان داد و تغییرات در سطوح خونی دارو را که قبلاً در کارآزمایی‌های بالینی انسانی مشاهده شده بود، به خوبی نشان داد. به گفته Maoz: “نتیجه حداکثر غلظت نیکوتین محاسبه شده، زمان لازم برای رسیدن نیکوتین به قسمت‌های مختلف بافتی و میزان پاک‌سازی در تراشه‌های کبد در مدل آزمایشگاهی مبتنی بر سیلیکو آنچه که قبلاً در بیماران اندازه‌گیری شده بود را منعکس می‌کند.”

محققان با یک تراشه چند ارگانی ثانویه شامل تراشه‌های کبد، کلیه و مغز استخوان فلوئیدی، اثرات دارویی سیس پلاتین، یک داروی شیمی‌درمانی که معمولاً در معالجه سرطان و به شکل وریدی استفاده می‌شود و سمیت ناخواسته‌ای را در کلیه و مغز استخوان نشان می‌دهد، مورد بررسی قرار دادند.

دکتر Anna Herland، نویسنده همکار این مطالعه گفت: “تجزیه و تحلیل ما اثرات فارماکودینامیک سیس پلاتین در بیماران، از جمله کاهش انواع تعداد سلول‌های خون و افزایش مارکرهای آسیب کلیوی، را تکرار می‌کند.” علاوه بر این، قابلیت‌های ترجمه سیستم از in vitro به in vivo، اطلاعات کمّی در مورد چگونگی متابولیزاسیون و ​​پاکسازی سیس پلاتین توسط کبد و کلیه فراهم آورد که آن را برای پیش‌بینی‌های دقیق بیش‌تر جذب دارو، توزیع، متابولسیم، دفع و سمیت مناسب می‌کند.”

نتیجه‌گیری

به گفته Maoz: “یکی از نقاط قوت این کار این است که ما نشان دادیم داروهایی که در سیستم body-on-chip  قرار می‌دهیم دارای نتایج مشابهی با داروهایی است که در کارآزمایی‌های بالینی به دست آمده‌ بودند.” به گفته این تیم، پلت‌فرم آن‌ها توانایی رفع محدودیت‌های فعلی در تولید دارو را با تهیه یک سیستم عملی، قابل اعتماد و مناسب برای آزمایش داروهای مورد استفاده در انسان دارد. مدل آن‌ها می‌تواند به طور کمّی پیش‌بینی کند که سطوح دارو چگونه تغییر می‌کند که به گفته محققان قبلاً هرگز انجام نشده است. Ingber گفت: “ما امیدواریم این سطح از زیست‌تقلیدی بتواند با استفاده از فناوری تراشه اندامی مورد توجه صنعت داروسازی قرار گیرد تا آزمایش حیوانی به تدریج با گذشت زمان کاهش یابد.”