פתרונות סינתטיים לבדיקות סמים אתיות ויעילות

שיפור איכות החיים של האדם באמצעות טיפולים תרופתיים הוא נושא מורכב. הסמכת תרופות, לרבות בטיחות ואמינות תרופות, כרוכה בשורה ארוכה של בדיקות ואישורים ממשלתיים לפני שהתרופה זמינה לשימוש לכל אחד.

בדיקת תרופות מאותגרת על ידי חששות אתיים וביולוגיים. בדיקת תרופות חדשות על בני אדם היא בדרך כלל חלק מניסוי קליני ומתרחשת לקראת סוף דרכה של תרופה לשימוש ציבורי. לפני שלב זה, נערכו כמות גדולה של ניסויים בבעלי חיים. ישנה קריאה הולכת וגוברת להפסיק את הניסויים בבעלי חיים, בין היתר בגלל ההבדלים בביולוגיה של בעלי חיים ובני אדם. במילים פשוטות, זה שמשהו עובד עבור עכברים לא אומר שהוא יעבוד עבור בן אדם.

קבוצה של חוקרים אקדמיים ברחבי מוסדות שילבו כוחות עם ג'ף שולץ מווירג'יניה טק כדי למצוא פתרון שיכול לתת תוצאות מכוונות אנושיות עם כלים סינתטיים. הגישה שלהם אינה דורשת סובייקטים אנושיים או בעלי חיים. במקום זאת, הוא משתמש בטכנולוגיות חדשות כדי ליצור סביבות בדיקה הניתנות להתאמה אישית רבה. ניתן לבדוק תרופות עם תאים, לא עם יצורים.

הצוות, הממומן על ידי מענק של 1.8 מיליון דולר מהמכונים הלאומיים לבריאות (NIH), כולל:

• אמרינדר ניין, פרופסור להנדסת מכונות בווירג'יניה טק
• רפאל דבאלוס, מרגרט פ. וג'ון ה. וייטנאואר ג'וניור עמדו בראש פרופסור בג'ורג'יה טק
• Seemantini Nadkarni, פרופסור חבר, בית הספר לרפואה של הרווארד ובית החולים הכללי של מסצ'וסטס
• ג'ף שולץ, מייסד שותף של חברת המיקרופלואידיקה המודפסת בתלת-ממד Phase Inc., שגם קיבל שלושה תארים מהמחלקה הטכנולוגית של וירג'יניה למדע והנדסת חומרים

פריצה למוח

מחסומים פיזיולוגיים נפוצים בגוף, ומחסום אחד כזה, הנקרא מחסום דם-מוח, עשוי מרשת של כלי דם ורקמות. תפקידו לאפשר לחומרים מועילים כמו מים וחמצן להיכנס למוח, אך להרחיק חומרים מזיקים שעלולים להוביל למחלות או גידולים. יצירת הסביבה המורכבת הזו עבור בדיקות סמים הייתה מאתגרת, ולא נדיר שניסויים קליניים נכשלים כשהם עוברים מהמעבדה.

טיפולים נכשלים בניסויים קליניים מכיוון שהם אינם יכולים לעבור את מחסום הדם-מוח. המציאות היא שהמכשירים שנוצרו במעבדה לא עובדים והם מאפשרים לעבור יותר מדי. זה נותן מידע שקרי שמולקולות יכולות לעבור, וכשאתה נכנס לניסוי קליני, התרופות נכשלות בגלל שתנאי המוח האנושיים לא שוכפלו כראוי".

רפאל דבאלוס, ג'ורג'יה טק

הצוות ניגש לבעיה עם שיטת ההדפסה התלת-ממדית הקניינית של Phase, ויוצרת מיקרו-נוזלים ברזולוציות שקודם לכן לא היו ניתנות להשגה, שגם הן ניתנות לשחזור וניתנות להרחבה. מיקרופלואידים הם מכשירים קטנים להפליא שבהם ניתן לתמרן תאים ונוזלים כדי ליצור "איבר על שבב" המחקה את ההתנהגות והתפקוד של איברים אנושיים. בעוד שפרויקט זה מתמקד במחסום הדם-מוח, לטכנולוגיית הליבה יש יישומים רחבי טווח עבור איברים אחרים כגון כבד, ריאות ועור.

שולץ בילה את הקריירה שלו בהמצאה ובקנה מידה של טכניקות הדפסה תלת מימדיות הן עבור חברות סטארטאפ והן עבור קונגלומרטים בינלאומיים. בהתבסס על החוזק של הניסיון הזה, הוא הפנה את תשומת לבו ליישם את הגמישות של הדפסת תלת מימד בעולם הביו-רפואי.

"אנחנו בונים משהו שמחקה בצורה מציאותית יותר את הגיאומטריה של הגוף בהשוואה למיקרופלואידים אחרים", אמר שולץ. "רתימת החופש העיצובי של הדפסה תלת מימדית מאפשרת לנו ליצור מכשירים בעלי אותה עקמומיות, גודל ורידים ופונקציונליות של גוף האדם. אנחנו יכולים להכניס שסתומים דומים ללב שרגילים ללחצים מכניים פועמים. זה נותן לנו ההזדמנות לראות תוצאות הקרובות יותר לחיים האמיתיים מאשר אם התאים היו מונחים שטוחים בצלחת, והיא נעשית במכשירים מיקרו-נוזליים קונבנציונליים אחרים, אך טרם יושמה על מחסום הדם במוח."

מכשירים סינתטיים ותאים חיים

שולץ ודאבלוס כבר שיתפו פעולה בשיטות חדשות להדפסת מכשירים רפואיים בתלת מימד תוך שימוש בחומרים שהיו בעייתיים בניסויים בתרופות עד לאותו נקודה. בשלב הראשון של הפרויקט הזה, הם המציאו דרך להדפסת 3D polydimethylsiloxane (PDMS), פולימר סיליקון שניתן להשתמש בו כדי לחקות את מחסום הדם-מוח. פרויקט זה קיבל 173,000 דולר מה-NIH.

"האתגר שיצאנו לפתור היה עם החומרים", אמר שולץ. "לא היו חומרים שאפשר להדפיס בתלת-ממד עבור מיקרו-נוזלים שהיו מקובלים כבטוחים לתאים. PDMS שימש במשך יותר משני עשורים אבל לא היה ניתן להדפסה בתלת-ממד. יצאנו לפתח טכנולוגיה להדפסת חומר זה בתלת-ממד, אשר ה-NIH מימן אותנו לעשות את השלב הראשון של הפרויקט."

החומר צריך להיות בטוח לתאים כדי שתאים יוכלו לצמוח על הפלטפורמה ולספק תנאים לבדיקת כדאיותן של תרופות שונות. כדי ליצור מחסום דם-מוח מלאכותי, גודלו על היצירה המודפסת בתלת-ממד את תאי הדם והרקמות היוצרים את המחסום בגוף חי, ומכאן "איבר על שבב". היתרון של הדפסת תלת מימד הוא שהמסגרת יוצרת מסלולים וארכיטקטורות שונות, מה שעשוי להוביל להתאמה אישית של מחסום הדם-מוח הסינטטי כך שיתאים למחסום של המטופל.

לאחר שראו הצלחה בשלב הראשון, שולץ ודאבלוס ראו אפשרויות להרחיב את הפרויקט. לאמרינדר ניין היו מומחיות וכלים מוכנים למשימה ושיתפה פעולה בעבר עם Davalos.

הצוות של Davalos פיתח פלטפורמות אחרות של איבר על שבב כדי לבדוק את ההתנהגות של תהליכים ביולוגיים בקנה מידה קטן. פיליפ גרייביל, בוגר לאחרונה וירג'יניה טק בצוות של Davalos התמקד בפיתוח מודלים מיקרופלואידיים כאלה של מחסום הדם-מוח, כמו גם כיצד תאים בודדים מגיבים לרמזים אלקטרו-מכאניים באמצעות פלטפורמת הננו-סיבים של Nain. באמצעות שיתוף הפעולה שלהם, גרייביל זיהה הזדמנות לקפל טכנולוגיה אחת לאחרת כדי לבנות מודל מדויק יותר של מה שמתרחש במוח.

ביצוע רשת

המומחיות של Nain היא מחקר עם ממברנות ננו-סיביות שמתפקדות כמעט כמו רקמות חיות, שנוצרות באמצעות סריג של סיבים מסתובבים שחוצים זה את זה בקנה מידה ננו. הממברנות הללו הפכו למפתח לאבולוציה הבאה של המכשיר ועזרו לצוות להרים סבב שני של מימון NIH. הקבוצה של Davalos and Nain פרסמה לאחרונה את מחסום הדם-מוח (BBB) ​​הראשון אי פעם דק ואולטרה נקבובי, שהוא דק יותר בכ-70% משיטות אחרות הקיימות לחקור אותו.

"מה שבאמת נחמד בשימוש ברשת הסיבים של אמרינדר (נאין) הוא שהיא כל כך דקה, שיכולים להיות לך תאים משני הצדדים שיכולים לתקשר", אמר דבאלוס. "זה יוצר צמתים הדוקים בין תאים כדי למנוע מהטיפולים לעבור."

זו בדיוק רמת הבקרה הנדרשת כדי להתאים ממצאים מניסויים קליניים. עם הפיתוח הזה, הצוות נתן לחוקרים עתידיים כלי תפנית אמין ומהיר יותר לבדיקת תרופות בסביבות רלוונטיות מבחינה פיזיולוגית תוך מזעור מודלים של בעלי חיים.

"במחסום הדם-מוח, יש קרום פיזי", אמר שולץ. "הממברנה הננוסיבית של אמרינדר (נאין) מחקה את העובי והנקבוביות של המנגנון במוח אמיתי טוב יותר מרוב המחקים ששימשו במכשירים דומים. כשהצענו את שלב שני ל-NIH, הצענו להשתמש בממברנות האלה המשולבות במיקרו-נוזל PDMS הקודם שלנו התקן."

כדי ליצור את גישת האיבר-על-שבב, כל חבר צוות השתמש במומחיות שלו. התהליך בדרך כלל הולך כך:

• הצוות של Nain מייצר את חיקוי הממברנה הדקים והננו-נקביים במיוחד.
• הצוות של שולץ מקבל את הממברנה, בונה עיצוב הכולל אותו, ולאחר מכן משתמש במערכת שפותחה על ידי צוות הרווארד של Nadkarni כדי לבדוק את התנהגות החומר.
• החלקים המוגמרים נשלחים לצוות של Davalos כדי לצייד אותם בתאים ולבצע את הבדיקות הביולוגיות.

"טכנולוגיות אורגן-על-שבב צפויות כעת להיות פרוטוקולי מעבדה סטנדרטיים במאה ה-21", אמר ניין. "פריצות הדרך הטכנולוגיות שלנו אפשרו את BBB הדק ביותר בשוק. באיטרציות עיצוב עתידיות, אנו מצפים לעמוד בממדים ובארכיטקטורות הקיימות בגוף האדם כדי להשיג תפוקות פיזיולוגיות במעבדה. כאשר יתממש, זה ישנה את האופן שבו אנו בודקים תרופות וללמוד ביו-הנדסה וביופיזיקה".