چرا باید اندام‌ها را مدلسازی کرد؟
مدلسازی فرآیندهای بیولوژیکی در شرایط آزمایشگاهی ابزار مهمی برای درک بهتر مکانیسم اندام‌های متعدد بدن و بیماری‌ها است و امکان آزمایش سریع درمان‌ها را فراهم می‌کند.
طبیعتاً، هرچه شرایط شبیه‌سازی‌شده در آزمایش به شرایط درون بدن یا شرایط واقعی نزدیک‌تر باشد، نتایج آزمایش مورد اعتماد‌تر خواهد بود.
با روش‌های متعدد همانند کشت سلول و استفاده از حیوانات مختلف در آزمایشات تا به امروز، سعی بر این بوده است تا نزدیک‌ترین مدلسازی به شرایط داخل بدن و اندام‌ها محقق شود؛ که هر کدام از این روش‌ها می‌تواند معایبی را به دنبال داشته باشند.
یک مدلسازی قابل‌اعتماد در شرایط آزمایشگاهی، نقش اساسی در سرعت بخشیدن به توسعه دارو ایفا می‌کند و فقدان چنین مدل‌هایی می‌تواند کشف دارو را برای بیماری‌های مهم مختل کند.
انواع روش‌های مدلسازی بدن و اندام‌ها
- سیستم‌های کشت تک‌لایه سنتی، عدم توانایی در شبیه‌سازی کامل ریزمحیط کلی موجود در داخل بدن از محدودیت‌های حیاتی این روش است. این محدودیت منجر به درمان‌های متعددی شده‌است که در شرایط آزمایشگاهی کارایی را نشان می‌دهند، اما در آزمایشات بیماران با شکست مواجه می‌شوند.
- محدودیت مدل‌های حیوانی در این است که نمی‌توانند تمام جنبه‌های بیماری‌های پیچیده انسانی و شرایط به وجود آمده را شبیه‌سازی کنند؛ زیرا آن‌ها نیز از تمام جهات کاملاً شبیه به انسان نیستند. همچنین از نظر اخلاقی، محدودیت‌هایی در استفاده از حیوانات وجود دارد.
- استفاده از بافت و سلول‌های انسانی به‌عنوان یک مدل برای انجام آزمایشات، راه‌حل بهتری نسبت به روش‌های بالا میباشد اما مسائل اخلاقی و کمبود منابع، استفاده از بافت‌های انسانی را به‌عنوان مدل‌های “ in vivo “دشوار می‌کند.
انقلابی در مدلسازی
تراشه شبیه‌سازی‌کننده بدن، که یکی از چندین فناوری برتر در حال پیشرفت هستند، یک سیستم تقلید‌کننده از اندام‌های فیزیولوژیک مانند کبد، مغز، ریه‌ها، روده‌ها و دیگر اعضای بدن است. این روش می‌تواند برای تولید دارو، شبیه‌سازی بیماری و «پزشکی فرد محور» “Personalized Medicine” مورداستفاده قرار گیرد.
جالب است بدانید همه‌ی این کاربرد‌ها با استفاده از تراشه‌ای به اندازه یک حافظه “USB” انجام می‌شود که ابعادی حدود ۳۵ میلی‌متر طول و ۱۵ میلی‌متر عرض دارد.همانطور که می‌دانید درون بدن، علاوه بر وجود پیچیدگی‌هایی در سطح سلول و محیط خارج سلولی، ارتباط بین اندام‌های مختلف سطح دیگری از پیچیدگی را ارائه می‌دهد.
تکنولوژی شبیه‌سازی اندام‌ها بر روی یک تراشه، سعی دارد حتی این سطح از پیچیدگی را نیز مدلسازی کند که در روش‌های قبلی امکان‌پذیر نبوده‌است.
تراشه‌های تک‌اندام نمی‌توانند پیچیدگی، تغییرات عملکردی و یکپارچگی عملکرد اندام را به‌طور کامل منعکس کنند. “چند اندام روی یک تراشه” که به‌عنوان “انسان روی یک تراشه” نیز نامیده می‌شود؛ امکان وجود اندام‌های متعددی را به‌طور همزمان ممکن می‌سازد. اگرچه مفهوم چند اندام روی یک تراشه در مراحل ابتدایی خود باقی مانده است؛ با این حال پیشرفت‌های عمده‌ای حاصل شده‌است. از جمله طراحی دو اندام، سه اندام، چهار اندام و ده اندام روی یک تراشه.
تست سمیت دارویی روی سلول های داخل organ on a chip
مزیت منحصر به فرد ارگان روی تراشه، توانایی ادغام متابولیسم دارو و فرآیندهای سمی دارو در یک دستگاه است که ارزیابی سمیت متابولیت های دارو را تسهیل می کند. اندام انسانی روی یک تراشه ساخته شده و برای ارزیابی سمیت دارو با همبستگی داده ها با کارآزمایی بالینی استفاده شده است.
به دلیل وجود تفاوت‌های گونه‌ای، نتایج به‌دست‌آمده از مدل‌های حیوانی را نمی‌توان به طور کامل با انسان تطبیق داد . به منظور بهبود دقت نتایج آزمایشات پیش بالینی دارو، بسیاری از مدل‌های آزمایشگاهی برای غربالگری سمیت ساخته شده‌اند و ارگان روی تراشه یک مدل برتر است.
برای شبیه‌سازی اثرات سمی داروها بر روی سلول‌ها، بافت‌ها یا اندام‌های مختلف بدن انسان، دانشمندان بسیاری از مدل‌های اندام روی یک تراشه را ساخته‌اند که اندام‌های منفرد یا چندگانه را شبیه‌سازی می‌کنند، به‌عنوان مثال، کبد ، کلیه، قلب ، اعصاب، ثابت شده است که این مدل ها پتانسیل توسعه به پلتفرم های جدید برای تشخیص سمیت دارو را دارند .
شبیه سازی بیماری ها
اخیراً، تلاش زیادی برای توسعه پلتفرم‌های ارگان روی یک تراشه انجام شده است که هم زیست‌شناسی و هم فیزیولوژی تومورهای in vivo انسانی را خلاصه می‌کند . اکثر این پلتفرم‌ها برای تقلید از عملکردهای حیاتی اندام‌ها و بافت‌ها طراحی شده‌اند که امکان بررسی فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک را فراهم می‌کنند . این رویکردها از تراشه های میکروسیال سه بعدی چند کانالی برای شبیه سازی مکانیک، فعالیت و پاسخ فیزیولوژیکی اندام ها استفاده می کنند. مدل‌های سرطان روی تراشه در مرز نانوپزشکی قرار دارند و به‌عنوان میکروسیستم‌های پیچیده برای روشن کردن مکانیسم‌های زیست‌شناسی سرطان و بهبود توسعه داروهای ضد سرطان، کاربرد امیدوارکننده‌ای را ارائه می‌کنند. همانطور که پلتفرم‌های جدید ارگان روی یک تراشه توسعه می‌یابند و توان عملیاتی بیشتری پیدا می‌کنند، مجموعه‌های داده بزرگی تولید می‌شوند که چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی را به وجود می‌آورند. توسعه این پلتفرم‌های ارگان روی تراشه با کارایی بالا منجر به استفاده از فرآیندهای تجزیه و تحلیل مبتنی بر یادگیری عمیق برای غربالگری داروها با کارایی بالا می‌شود و راه را برای راه جدیدی از تحقیقات پیشرفته باز می‌کند.
:Reference
