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.
Što je organ na čipu?
Organ na čipu (eng. Organ-on-a-chip, OOAC) tehnologija je koja koristi mikrofluidni čip za oponašanje fiziološke funkcije pojedinog organa. Za to koristi tehnologiju mikrofluidike, znanosti koja proučava kako manipulirati i kontrolirati male volumene tekućina reda veličine od 10-9 do 10-18 litara. 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 potrošnju reagensa i energije, strogo kontrolirani volumeni i precizna kontrola fizikalnih i kemijskih uvjeta na čipu. Osim za organe na čipu mikrofluidika se koriste i za DNA čipove, lab-on-a-chip tehnologiju (gdje samo jedan čip može integrirati jedan ili više laboratorija), laboratorijsku dijagnostiku uz bolesnika, pa čak i za tintne (inkjet) printere.
No, ono što organe na čipu čini posebnima su ljudske kulture stanice 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 i uređen raspored različitih tipova stanica. Tu osim mikrofluidike veliku ulogu ima i tehnologija 3D printanja, kako bi od biokompatibilnih materijala poput hidrogelova i nekih vrsta plastike formirali „skele“ unutar kojih će se stanice smjestiti. Na taj način se imitira izvanstanični matriks i vjernije prikazuje stanični mikrookoliš.
Osim toga, tehnologija organa na čipu omogućuje i stimulaciju stanica različitim signalima (npr. električni ili kemijski). Time se aktiviraju površinske molekula 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, krve žile itd. 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 slučajevima, koriste se 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 i omogućiti novi revolucionarni pristup u medicini i znanosti.
Literatura
2. Singh D et al. Journey of organ on a chip technology and its role in future healthcare scenario. Applied Surface Science Advances, 2022, 9, 100246.
3. Leung CM et al. A guide to the organ-on-a-chip. Nat Rev Methods Primers, 2022, 2, 33.
4. Ingber DE. Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine. Nat Rev Genet, 2022, 23, 467–491.
