Mikroskopska revolucija: kako organi na čipu mijenjaju znanost

Tradicionalne metode biomedicinskih istraživanja sve više ustupaju mjesto inovativnim tehnologijama. One donose veću automatizaciju i digitalizaciju, smanjujući potrebu za manualnim radom.

No, jeste li znali da danas na svega par centimetara stakla mogu stati ljudski organi, pa čak i čitavi laboratoriji? Riječ je o tehnologiji organa na čipu. O čemu je riječ, otkrijte u članku.

Tehnologija mikrofluidike

Organ na čipu (eng. Organ-on-a-chip, OOAC) je tehnologija koja koristi mikrofluidni čip za oponašanje fiziološke funkcije pojedinog organa. Za to koristi tehnologiju mikrofluidike, znanosti koja proučava kako manipulirati i kontrolirati iznimno male volumene tekućina. Tako mali volumeni nalaze se u mikrokanalima na čipu čija veličina može varirati od nekoliko desetaka, pa i do nekoliko stotina mikrometara.

Neke od prednosti takvih tehnologija su niska potrošnja reagensa i energije, strogo kontrolirani volumeni te precizna kontrola fizikalnih i kemijskih uvjeta na čipu. Osim za organe na čipu, mikrofluidika se koristi i za DNA čipove, lab-on-a-chip tehnologiju (gdje samo jedan čip množe integrirati jedan ili više laboratorija), laboratorijsku dijagnostiku uz bolesnika, pa čak i za tintne (inkjet) printere.

Funkcioniranje organa na čipu

No, ono što organe na čipu čini posebnima su ljudske kulture stanica koje se nalaze u spomenutim mikrokanalima. Mikrofluidi dostavljaju stanice do njihove ciljane lokacije na čipu kroz mikrokanale, a njima se i omogućuje protok nutrijenata i drugih tvari neophodnih za stanični rast i razvoj te efikasno ispuštanje otpada. Takav dinamičan okoliš bolje oslikava in-vivo uvjete od stacionarnih staničnih kultura. Kako bi se formirao funkcionalan organ, bitno je uzeti u obzir i složen te uređen raspored različitih tipova stanica. Tu, osim mikrofluidike, veliku ulogu ima i tehnologija 3D printanja, kako bi se od biokompatibilnih materijala (poput hidrogelova i nekih vrsta plastike) formirale „skele“ unutar kojih će se stanice smjestiti. Tako se imitira izvanstanični matriks i vjernije se prikazuje stanični mikrookoliš.

Osim toga, tehnologija organa na čipu omogućuje i stimulaciju stanica različitim signalima (npr. električni ili kemijski). Time se aktiviraju površinske molekule i signalni putevi nužni za opstanak stanica. Također, bitan dio čipa je i onaj za detekciju i prikupljanje podataka. To, na primjer, mogu biti mikrosenzori koji govore o metaboličkom stanju stanica, a samim time o njihovim potrebama.

Gdje i zašto koristiti organe na čipu?

Danas se organi na čipu koriste u brojnim poljima biomedicine, najviše u razvoju novih lijekova, istraživanju međustaničnih interakcija te toksikološkim i farmakokinetičkim ispitivanjima. Razvijeni su modeli za različite organe, uključujući jetru, pluća, srce, bubrege, crijeva, kožu, krvne žile i druge.

U tim istraživanjima nastoje zamijeniti tradicionalne modele poput staničnih kultura i životinjskih modela, koji imaju značajna ograničenja. Klasične 2D stanične kulture ne odražavaju pravo fiziološko stanje organa. Stanice su formirane u jednom sloju, promijenjene su morfologije, nema izvanstaničnog matriksa, diferencijacija je loša, a rast im je neprirodno brz.

Razvojem 3D staničnih kultura većina spomenutih prepreka je prijeđena, no one i dalje ne mogu u potpunosti imitirati funkcije pravih organa. U takvim se slučajevima koriste životinjski modeli. Iako se kod takvih modela dobro prikazuju kompleksnost organa i tkiva, rezultati ispitivanja na laboratorijskim životinjama ne odražavaju se uvijek isto na ljude. Osim znanstvenih ograničenja, važno je uzeti u obzir i etičke dileme korištenja laboratorijskih životinja.

Organi na čipu nastoje premostiti te prepreke koristeći prednosti oba modela. Oni pružaju pouzdanije procjene fizioloških procesa, poput prolaza lijeka kroz krvno-moždanu barijeru ili mehanizama toksičnosti određene tvari.

Budućnost i „čovjek na čipu“

Jasno je da tehnologija organa na čipu predstavlja jedno od najuzbudljivijih područja moderne znanosti koju je i Svjetski ekonomski forum uvrstio među top 10 tehnologija u usponu. Njihova sposobnost da precizno oponašaju funkciju ljudskih organa, otvara vrata novim mogućnostima u istraživanju bolesti, testiranju lijekova i razvoju personalizirane medicine.

Iako postoje čipovi koji objedinjuju dva ili tri organa, poput crijeva i bubrega na čipu kojim se ispituje apsorpcija i nefrotoksičnost digoksina, pravi izazov predstavlja povezivanje većeg broja organa i organskih sustava u svojevrsnog „čovjeka na čipu“. Takvi sustavi mogli bi sadržavati tikva i mikroorgane pojedinog čovjeka te omogućiti novi revolucionarni pristup u medicini i znanosti.

Izvor: Recipe CPSA