ชิปหลายออร์แกนแบบพลักแอนด์เพลย์ที่พัฒนาขึ้น

เนื้อเยื่อที่ได้รับการออกแบบมาเป็นส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับการจำลองโรคและการทดสอบประสิทธิภาพและความปลอดภัยของยาในบริบทของมนุษย์ ความท้าทายที่สำคัญสำหรับนักวิจัยคือการสร้างแบบจำลองการทำงานของร่างกายและโรคทางระบบด้วยเนื้อเยื่อที่ออกแบบหลายอย่างที่สามารถสื่อสารทางสรีรวิทยาได้เช่นเดียวกับที่ทำในร่างกาย อย่างไรก็ตาม จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องจัดเตรียมเนื้อเยื่อที่ได้รับการออกแบบแต่ละชิ้นด้วยสภาพแวดล้อมของตัวเอง เพื่อให้สามารถรักษาฟีโนไทป์ของเนื้อเยื่อที่เฉพาะเจาะจงได้เป็นเวลาหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน ตามที่จำเป็นสำหรับการศึกษาทางชีววิทยาและชีวการแพทย์ การทำให้ความท้าทายซับซ้อนยิ่งขึ้นคือความจำเป็นในการเชื่อมโยงโมดูลเนื้อเยื่อเข้าด้วยกันเพื่ออำนวยความสะดวกในการสื่อสารทางสรีรวิทยา ซึ่งจำเป็นสำหรับสภาวะการสร้างแบบจำลองที่เกี่ยวข้องกับระบบอวัยวะมากกว่าหนึ่งระบบ โดยไม่สูญเสียสภาพแวดล้อมของเนื้อเยื่อที่ออกแบบเอง

ชิปมัลติออร์แกนแบบพลักแอนด์เพลย์แบบใหม่ที่ปรับแต่งให้เหมาะกับผู้ป่วย

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครสามารถบรรลุทั้งสองเงื่อนไขได้ วันนี้ทีมนักวิจัยจาก Columbia Engineering และ ศูนย์การแพทย์มหาวิทยาลัยโคลัมเบียเออร์วิง รายงานว่าพวกเขาได้พัฒนาแบบจำลองของสรีรวิทยาของมนุษย์ในรูปแบบของชิปหลายอวัยวะซึ่งประกอบด้วยหัวใจ กระดูก ตับ และผิวหนังของมนุษย์ที่ออกแบบทางวิศวกรรม ซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยการไหลเวียนของหลอดเลือดกับเซลล์ภูมิคุ้มกันที่ไหลเวียน เพื่อให้สามารถสรุปการทำงานของอวัยวะที่พึ่งพาอาศัยกันได้ นักวิจัยได้สร้างชิปหลายอวัยวะแบบ Plug-and-play ซึ่งมีขนาดเท่ากับสไลด์ไมโครสโคปที่สามารถปรับแต่งให้เหมาะกับผู้ป่วยได้ เนื่องจากความก้าวหน้าของโรคและการตอบสนองต่อการรักษาแตกต่างกันไปในแต่ละบุคคล ชิปดังกล่าวจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการรักษาเฉพาะบุคคลสำหรับผู้ป่วยแต่ละรายในที่สุด ดิ ศึกษา เป็นเรื่องราวหน้าปกของ . ฉบับเดือนเมษายน 2565 วิศวกรรมชีวการแพทย์ธรรมชาติ.

“นี่เป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่สำหรับเรา—เราใช้เวลาสิบปีในการทดลองหลายร้อยครั้ง สำรวจแนวคิดที่ยอดเยี่ยมนับไม่ถ้วน และสร้างต้นแบบมากมาย และในที่สุด เราก็ได้พัฒนาแพลตฟอร์มนี้ที่ประสบความสำเร็จในการจับภาพชีววิทยาของการมีปฏิสัมพันธ์ของอวัยวะใน ร่างกาย” หัวหน้าโครงการ . กล่าว กอร์ดานา วุนจัก-โนวาโควิชศาสตราจารย์มหาวิทยาลัยและศาสตราจารย์มูลนิธิมิคาติแห่ง วิศวกรรมชีวการแพทย์วิทยาศาสตร์การแพทย์ และ ทันตแพทยศาสตร์

แรงบันดาลใจจากร่างกายมนุษย์

โดยได้รับแรงบันดาลใจจากการทำงานของร่างกายมนุษย์ ทีมงานได้สร้างระบบเนื้อเยื่อ-ชิปของมนุษย์ ซึ่งเชื่อมโยงโมดูลของหัวใจ ตับ กระดูก และเนื้อเยื่อผิวหนังที่เจริญเต็มที่ด้วยการหมุนเวียนการไหลเวียนของหลอดเลือด ทำให้อวัยวะที่พึ่งพาอาศัยกันสามารถสื่อสารได้เช่นเดียวกับที่ทำ ร่างกายมนุษย์. นักวิจัยเลือกเนื้อเยื่อเหล่านี้เนื่องจากมีต้นกำเนิดจากตัวอ่อน คุณสมบัติทางโครงสร้างและการทำงานที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน และได้รับผลกระทบจากยารักษามะเร็ง ถือเป็นการทดสอบแนวทางที่เสนออย่างเข้มงวด

Kacey Ronaldson-Bouchard หัวหน้าทีมวิจัยและนักวิจัยร่วมใน Vunjak-Novakovic’s กล่าวว่า “การสื่อสารระหว่างเนื้อเยื่อในขณะที่รักษาฟีโนไทป์ของพวกมันไว้เป็นความท้าทายครั้งสำคัญ ห้องปฏิบัติการสำหรับวิศวกรรมสเต็มเซลล์และเนื้อเยื่อ. “เนื่องจากเรามุ่งเน้นที่การใช้แบบจำลองเนื้อเยื่อที่มาจากผู้ป่วย เราจึงต้องทำให้เนื้อเยื่อแต่ละส่วนเติบโตเป็นรายบุคคล เพื่อให้ทำงานในลักษณะที่เลียนแบบการตอบสนองที่คุณจะเห็นในผู้ป่วย และเราไม่ต้องการเสียสละการทำงานขั้นสูงนี้เมื่อเชื่อมต่อเนื้อเยื่อต่างๆ ในร่างกาย แต่ละอวัยวะจะรักษาสภาพแวดล้อมของตัวเอง ในขณะที่มีปฏิสัมพันธ์กับอวัยวะอื่นโดยการไหลเวียนของหลอดเลือดซึ่งมีเซลล์หมุนเวียนและปัจจัยออกฤทธิ์ทางชีวภาพ ดังนั้นเราจึงเลือกที่จะเชื่อมต่อเนื้อเยื่อโดยการไหลเวียนของหลอดเลือด ในขณะที่รักษาช่องเนื้อเยื่อแต่ละส่วนที่จำเป็นต่อการรักษาความเที่ยงตรงทางชีวภาพ โดยเลียนแบบวิธีที่อวัยวะของเราเชื่อมต่อกันภายในร่างกาย ”

โมดูลเนื้อเยื่อที่ปรับให้เหมาะสมสามารถรักษาได้นานกว่าหนึ่งเดือน

กลุ่มได้สร้างโมดูลเนื้อเยื่อ ซึ่งแต่ละโมดูลอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมที่สุด และแยกพวกมันออกจากกระแสน้ำของหลอดเลือดทั่วไปโดยแผงกั้นบุผนังหลอดเลือดที่ซึมผ่านได้ สภาพแวดล้อมของเนื้อเยื่อแต่ละส่วนสามารถสื่อสารผ่านสิ่งกีดขวางบุผนังหลอดเลือดและผ่านการไหลเวียนของหลอดเลือด นักวิจัยยังได้แนะนำโมโนไซต์ที่ก่อให้เกิดแมคโครฟาจเข้าไปในระบบไหลเวียนของหลอดเลือด เนื่องจากมีบทบาทสำคัญในการควบคุมการตอบสนองของเนื้อเยื่อต่อการบาดเจ็บ โรค และผลการรักษา

เนื้อเยื่อทั้งหมดได้มาจากเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent Stem Cell (iPSC) ที่เหนี่ยวนำโดยมนุษย์ ซึ่งได้จากตัวอย่างเลือดจำนวนเล็กน้อย เพื่อแสดงความสามารถในการศึกษาเป็นรายบุคคลและเจาะจงผู้ป่วย และเพื่อพิสูจน์ว่าแบบจำลองนี้สามารถนำมาใช้สำหรับการศึกษาในระยะยาว ทีมงานได้ดูแลเนื้อเยื่อซึ่งได้เติบโตและเจริญเต็มที่เป็นเวลาสี่ถึงหกสัปดาห์ เป็นเวลาอีกสี่สัปดาห์หลังจากที่พวกมันเชื่อมโยงกันด้วยการแผ่กระจายของหลอดเลือด

การใช้แบบจำลองในการศึกษายาต้านมะเร็ง

นักวิจัยยังต้องการแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองนี้สามารถนำไปใช้ในการศึกษาสภาวะทางระบบที่สำคัญในบริบทของมนุษย์ได้อย่างไร และเลือกที่จะตรวจสอบผลข้างเคียงของยาต้านมะเร็ง พวกเขาตรวจสอบผลกระทบของ doxorubicin ซึ่งเป็นยาต้านมะเร็งที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ต่อหัวใจ ตับ กระดูก ผิวหนัง และหลอดเลือด พวกเขาแสดงให้เห็นว่าผลที่วัดได้สรุปรายงานจากการศึกษาทางคลินิกของการรักษามะเร็งโดยใช้ยาตัวเดียวกัน

ทีมงานได้พัฒนาแบบจำลองการคำนวณแบบใหม่ของชิปหลายอวัยวะเพื่อการจำลองทางคณิตศาสตร์ของการดูดซึม การกระจาย การเมตาบอลิซึม และการหลั่งของยา โมเดลนี้ทำนายเมแทบอลิซึมของ doxorubicin เป็น doxorubicinol และการแพร่กระจายไปยังชิปได้อย่างถูกต้อง การรวมกันของชิปหลายอวัยวะกับวิธีการคำนวณในการศึกษาเภสัชจลนศาสตร์และเภสัชพลศาสตร์ของยาอื่น ๆ ในอนาคตเป็นพื้นฐานที่ดีขึ้นสำหรับการคาดการณ์พรีคลินิกจนถึงทางคลินิกด้วยการปรับปรุงขั้นตอนการพัฒนายา

“ในขณะทำเช่นนั้น เรายังสามารถระบุเครื่องหมายระดับโมเลกุลในช่วงต้นของความเป็นพิษต่อหัวใจ ซึ่งเป็นผลข้างเคียงหลักที่จำกัดการใช้ยาในวงกว้าง ที่โดดเด่นที่สุดคือชิปหลายอวัยวะทำนายได้อย่างแม่นยำถึง cardiotoxicity และ cardiomyopathy ที่มักต้องการให้แพทย์ลดปริมาณ doxorubicin ในการรักษาหรือแม้แต่หยุดการรักษา “Vunjak-Novakovic กล่าว

ความร่วมมือทั่วทั้งมหาวิทยาลัย

การพัฒนาชิปมัลติออร์แกนเริ่มต้นจากแท่นที่มีหัวใจ ตับ และหลอดเลือด มีชื่อเล่นว่า HeLiVa แพลตฟอร์ม. เช่นเคยกับการวิจัยด้านชีวการแพทย์ของ ซึ่งรวมถึงพรสวรรค์โดยรวมของห้องปฏิบัติการของเธอ Andrea Califano และทีมชีววิทยาระบบของเขา (มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย), Christopher S. Chen (มหาวิทยาลัยบอสตัน) และ Karen K. Hirschi (มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย) ที่มีความชำนาญด้านชีววิทยาและวิศวกรรมเกี่ยวกับหลอดเลือด Angela M Christiano และทีมวิจัยผิวหนังของเธอ (Columbia University), Rajesh K. Soni จาก Proteomics Core ที่ Columbia University และการสนับสนุนการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ของทีมที่ CFD Research Corporation

แอปพลิเคชั่นมากมายทั้งหมด ในบริบทเฉพาะของผู้ป่วยแต่ละราย

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังใช้ชิปรูปแบบต่างๆ เพื่อศึกษา ทั้งหมดนี้ในบริบทเฉพาะผู้ป่วยแต่ละราย: มะเร็งเต้านมระยะลุกลาม; การแพร่กระจายของมะเร็งต่อมลูกหมาก มะเร็งเม็ดเลือดขาว; ผลกระทบของรังสีต่อเนื้อเยื่อของมนุษย์ ผลกระทบของ SARS-CoV-2 ต่อหัวใจ ปอด และหลอดเลือด ผลกระทบของการขาดเลือดในหัวใจและสมอง; และความปลอดภัยและประสิทธิผลของยา กลุ่มนี้ยังกำลังพัฒนาชิปที่ได้มาตรฐานซึ่งเป็นมิตรกับผู้ใช้สำหรับทั้งห้องปฏิบัติการวิชาการและห้องปฏิบัติการทางคลินิก เพื่อช่วยใช้ประโยชน์จากศักยภาพอย่างเต็มที่ในการพัฒนาการศึกษาทางชีววิทยาและการแพทย์

Vunjak-Novakovic กล่าวเสริมว่า “หลังจากสิบปีของการวิจัยเกี่ยวกับอวัยวะบนชิป เรายังคงพบว่ามันน่าทึ่งที่เราสามารถจำลองสรีรวิทยาของผู้ป่วยโดยการเชื่อมต่อเนื้อเยื่อขนาดมิลลิเมตร — กล้ามเนื้อหัวใจที่เต้น, ตับที่เผาผลาญ, และผิวหนังที่ทำงานและ กระดูกที่เติบโตจากเซลล์ของผู้ป่วย เรารู้สึกตื่นเต้นกับศักยภาพของแนวทางนี้ ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการศึกษาสภาพทางระบบที่เกี่ยวข้องกับการบาดเจ็บหรือโรค และจะช่วยให้เราสามารถรักษาคุณสมบัติทางชีววิทยาของเนื้อเยื่อของมนุษย์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมพร้อมกับการสื่อสารของพวกมัน ทีละคน ตั้งแต่การอักเสบจนถึงมะเร็ง!”

อ้างอิง: Ronaldson-Bouchard K, Teles D, Yeager K และอื่น ๆ ชิปหลายอวัยวะที่มีช่องเนื้อเยื่อที่โตเต็มที่ซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยการไหลของหลอดเลือด แนท ไบโอเมด เอ็ง. 2022;6(4):351-371. ดอย: 10.1038/s41551-022-0882-6

บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ซ้ำจากต่อไปนี้ วัสดุ. หมายเหตุ: อาจมีการแก้ไขเนื้อหาสำหรับความยาวและเนื้อหา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อแหล่งที่อ้างถึง

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*