Η τεχνολογία Organ-on-a-chip φέρνει επανάσταση στην καρδιαγγειακή έρευνα

By | December 11, 2023

Πώς μελετούν οι επιστήμονες την εσωτερική λειτουργία των ανθρώπινων αιμοφόρων αγγείων;

Οι καρδιαγγειακές παθήσεις είναι η κύρια αιτία θανάτου παγκοσμίως, καθώς υπολογίζεται ότι πεθαίνουν 17,9 εκατομμύρια άνθρωποι κάθε χρόνο. Επομένως, η πρόληψη και η αντιμετώπισή τους είναι μια από τις πιο δύσκολες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η δημόσια υγεία σήμερα.

Το αγγειακό σύστημα αποτελείται από αιμοφόρα αγγεία – αρτηρίες και φλέβες – που μεταφέρουν αίμα σε όλο το σώμα μας για να παρέχουν οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά. Καθώς μεγαλώνουμε, η δομή και η λειτουργία αυτών των αγγείων μειώνονται, προκαλώντας βλάβες στην καρδιά, τον εγκέφαλο, τα νεφρά και άλλα όργανα.

Για παράδειγμα, τα αιμοφόρα αγγεία μας έχουν κανονικά την ικανότητα, γνωστή ως συμμόρφωση, να ανταποκρίνονται στις αλλαγές της αρτηριακής πίεσης. Όταν η πίεση αυξάνεται, διαστέλλονται για να αυξήσουν τον όγκο του αίματος που μπορούν να συγκρατήσουν και όταν η πίεση μειώνεται, συμβαίνει το αντίθετο.

Αλλά τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων αρχίζουν να χάνουν αυτή την ελαστικότητα και γίνονται πιο άκαμπτα καθώς γερνάμε. Ως αποτέλεσμα, η καρδιά πρέπει να εργαστεί σκληρότερα. Η αγγειακή σκλήρυνση είναι ένας παράγοντας που συμβάλλει σε πολλές καρδιαγγειακές παθήσεις, καθώς και νεφρική δυσλειτουργία και αγγειακή άνοια.

Η τεχνολογία Organ-on-a-chip, που ενσωματώνει τη βιολογία και τη μικρορευστοποίηση, φέρνει επανάσταση στην ανακάλυψη φαρμάκων.

Σάρα Μπαράτσι

Οι προκλινικές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν οι ερευνητές για την ανάπτυξη φαρμάκων για τη θεραπεία αυτών των ασθενειών βασίζονται κυρίως σε ζωικά μοντέλα, τα οποία δεν αντικατοπτρίζουν πολύ καλά την ανθρώπινη φυσιολογία. Τα μεγαλύτερα ζώα, όπως οι χοίροι, μοιάζουν περισσότερο, αλλά είναι ακριβά στη χρήση τους και έχουν σημαντικές ηθικές εκτιμήσεις που συνδέονται με αυτά. Τα μικρότερα ζώα, όπως τα ποντίκια και οι αρουραίοι, είναι λίγο φθηνότερα, αλλά έχουν πολύ διαφορετική φυσιολογία από τη δική μας. Έρχονται επίσης με ηθικούς λόγους.

Όμως, μια νέα προσέγγιση χωρίς ζώα αλλάζει το παιχνίδι στην καρδιαγγειακή έρευνα: τεχνολογίες όργανο σε τσιπ. Αυτές οι συσκευές μικροκλίμακας προσομοιώνουν τις δραστηριότητες, τη μηχανική και τις φυσιολογικές αποκρίσεις ολόκληρων οργάνων ή συστημάτων.

«Η τεχνολογία Organ-on-a-chip, που ενσωματώνει τη βιολογία και τη μικρορευστοποίηση, φέρνει επανάσταση στην ανακάλυψη φαρμάκων εισάγοντας μια ισχυρή προσέγγιση για τη μίμηση εξελιγμένων μοντέλων ιστών in vitro και επιτρέποντας μια καλύτερη ανακεφαλαίωση της ανθρώπινης φυσιολογίας και παθοφυσιολογίας», δήλωσε η αναπληρώτρια καθηγήτρια Sara Baratchi, επικεφαλής του εργαστηρίου μηχανοβιολογίας και μικρορευστικότητας στο Baker Heart and Diabetes Institute και το Πανεπιστήμιο RMIT. Σύμπαν.

Πιστεύεται ότι στο μέλλον θα αντικαταστήσουν μοντέλα μικρών ζώων.

Σάρα Μπαράτσι

«Αυτά τα μοντέλα μειώνουν το κόστος και μπορούν να μειώσουν τον πειραματικό χρόνο. Κάτι που θα χρειαζόσουν έξι μήνες για να το αναπτύξεις [with animal models] ίσως μπορέσετε να περάσετε σε μια εβδομάδα.

«Πιστεύεται ότι στο μέλλον θα αντικαταστήσουν τα μοντέλα μικρών ζώων».

Ο Baratchi και η ομάδα του ανέπτυξαν ένα βιομηχανικό μοντέλο αιμοφόρου αγγείου και το χρησιμοποίησαν για να εντοπίσουν έναν πιθανό θεραπευτικό στόχο για την επιβράδυνση της αγγειακής γήρανσης. Ένα άρθρο που περιγράφει λεπτομερώς την ανακάλυψή τους δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό Εφαρμοσμένα υλικά και διεπαφές ACS.

Η μικρορευστοποιητική συσκευή της ομάδας μπορεί να μιμηθεί τόσο την ακαμψία της νεαρής και ηλικιωμένης ανθρώπινης αορτής όσο και τα μοτίβα ροής αίματος μέσα σε αυτές.

Περιέχει ένα μικρορευστο κανάλι – μόλις 45 mm μήκος, 3 mm πλάτος και 0,3 mm ύψος – και, σε ξεχωριστή γυάλινη πλάκα, ένα ελαστομερές με διαφορετικά επίπεδα ακαμψίας. Αυτά τα εξαρτήματα είναι διάσπαρτα με μηχανικούς σφιγκτήρες για να προσδώσουν διάφορα επίπεδα ακαμψίας στα κανάλια μικρορευστού.

Ο Baratchi και η ομάδα του σχεδίασαν αυτό το όργανο-σε-τσιπ για να προσομοιώνουν συνθήκες στην ανθρώπινη αορτή. Πίστωση: Baker Heart and Diabetes Institute

Στη συνέχεια, τα ανθρώπινα ενδοθηλιακά κύτταρα – τα οποία ευθυγραμμίζουν τα αιμοφόρα αγγεία και ελέγχουν την ανάπτυξη των κυττάρων ιστού στο τοίχωμα των αιμοφόρων αγγείων – αναπτύσσονται μέσα σε αυτά τα μικρορευστικά κανάλια.

Η συσκευή είναι συνδεδεμένη με μια αντλία που ελέγχει τη δύναμη του υγρού που ρέει στα κύτταρα στην επιφάνεια των μικρορευστωδών καναλιών. Αυτή η δύναμη ονομάζεται διατμητική καταπόνηση και μπορεί να είναι άλλος ένας σημαντικός παράγοντας που συμβάλλει στην καρδιαγγειακή νόσο, τη δυσλειτουργία των νεφρών και την αγγειακή άνοια.

Δελτίο ειδήσεων

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ροής αίματος: η στρωτή και η διαταραγμένη. Η στρωτή ροή εμφανίζεται όπου το αιμοφόρο αγγείο είναι ίσιο και ομοιόμορφο, ενώ η διαταραγμένη ροή εμφανίζεται σε κλάδους και καμπυλότητες.

Σε περιοχές με διαταραγμένη ροή αίματος, υπάρχει επίσης πολύ χαμηλή διατμητική τάση στα ενδοθηλιακά κύτταρα. Εδώ, η αθηρωματική πλάκα – πάχυνση ή σκλήρυνση των αρτηριών λόγω συσσώρευσης πλάκας – τείνει να αναπτυχθεί.

«Στα αιμοφόρα αγγεία έχουμε στρωτή ροή – η οποία είναι πολύ καλή ροή και είναι αθηροπροστατευτική – και μετά έχουμε διαταραγμένα μοτίβα ροής που είναι αθηρογόνα», λέει ο Baratchi.

Πολλαπλές συσκευές οργάνου σε τσιπ συνδεδεμένες σε μια αντλία που ωθεί το μέσο μέσω μικρορευστοποιημένων καναλιών.
Πολλαπλές συσκευές οργάνου σε τσιπ συνδεδεμένες σε μια αντλία που ωθεί το μέσο μέσω μικρορευστοποιημένων καναλιών. Πίστωση: Baker Heart and Diabetes Institute

Καλλιεργώντας ενδοθηλιακά κύτταρα σε μικρορευστοποιητικά κανάλια που μιμούνται τη δυσκαμψία της νεαρής και μεγάλης αορτής και το αθηροπροστατευτικό ή αθηρογενές διατμητικό στρες, ο Baratchi και η ομάδα του εντόπισαν ότι η πρωτεΐνη Piezo 1, ένας εξωτερικός αισθητήρας που εκφράζεται στα ενδοθηλιακά κύτταρα, παίζει κρίσιμο ρόλο. τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα αντιλαμβάνονται και ανταποκρίνονται στο διατμητικό στρες και στην αγγειακή ακαμψία.

Τα ενδοθηλιακά κύτταρα σε υγιή κατάσταση εμφανίζουν μη συγκολλητικές ιδιότητες παρόμοιες με το τεφλόν.

Σάρα Μπαράτσι

«Το Piezo 1 επιτρέπει στα κύτταρα να ανιχνεύουν αλλαγές στη διατμητική τάση και ακαμψία και αυτό συμβάλλει στη γήρανση του ενδοθηλίου (γήρανση) και στη φλεγμονή υπό συνθήκες γήρανσης αγγείων», εξηγεί.

«Τα ενδοθηλιακά κύτταρα σε υγιή κατάσταση έχουν μη κολλητικές ιδιότητες παρόμοιες με το τεφλόν, εμποδίζοντας άλλα κύτταρα, όπως αυτά του ανοσοποιητικού συστήματος, να προσκολληθούν σε αυτά.

«Ωστόσο, κατά τη γήρανση, που συμβαίνει με τη γήρανση, χάνουν τη μη κολλητική τους ικανότητα. Κατά συνέπεια, τα ενδοθηλιακά κύτταρα φλεγμονώνονται και προσκολλώνται, οδηγώντας σε προσκόλληση των κυττάρων του ανοσοποιητικού.»

Ο Baratchi και η ομάδα του πιστεύουν ότι με τον εντοπισμό φαρμάκων που στοχεύουν το Piezo 1, ή άλλα μονοπάτια σηματοδότησης που ενεργοποιούνται κατάντη της πρωτεΐνης, θα μπορούσαν να αποτρέψουν ή να αναστρέψουν τη φλεγμονή των αγγείων και την αρτηριακή ακαμψία.

6 άτομα με παλτά εργαστηρίου και ΜΑΠ που στέκονται σε ένα εργαστήριο
Η Sara Baratchi και η ομάδα της. Πίστωση: Baker Heart and Diabetes Institute

Αυτό θα μπορούσε ακόμη και να ανακουφίσει τη δυσλειτουργία του ενδοθηλίου σε ενήλικες μεγαλύτερης ηλικίας, μια νόσο της στεφανιαίας αρτηρίας που ο Baratchi λέει ότι επηρεάζει περισσότερες γυναίκες από τους άνδρες και μπορεί να προκαλέσει έντονο πόνο στο στήθος.

«Η ενδοθηλιακή δυσλειτουργία δεν προκαλεί άμεσα απόφραξη, αλλά μπορεί να συμβάλει σε ανώμαλο αγγειακό τόνο. Στην κατάσταση της ενδοθηλιακής δυσλειτουργίας, τα μεγάλα αιμοφόρα αγγεία στην επιφάνεια της καρδιάς συστέλλονται ή στενεύουν, σε αντίθεση με τη φυσιολογική διαστολή ή άνοιγμα», λέει.

Η ομορφιά της τεχνολογίας organ-on-a-chip είναι ότι μπορεί να τροποποιηθεί για να μελετήσει άλλες μορφές καρδιαγγειακών παθήσεων και να βελτιωθεί ώστε να αντιπροσωπεύει ένα ακόμη καλύτερο μοντέλο ανθρώπινου ιστού. Στόχος τους είναι να σχεδιάσουν ακόμη πιο πολύπλοκα αγγειακά μοντέλα που ενσωματώνουν τις τρισδιάστατες δομές των κυτταρικών στοιβάδων που αποτελούν τα αιμοφόρα αγγεία.

Πολλαπλές συσκευές οργάνου σε τσιπ συνδεδεμένες σε μια αντλία που ωθεί το μέσο μέσω μικρορευστοποιημένων καναλιών.
Πίστωση: Baker Heart and Diabetes Institute

Σύμφωνα με τον Baratchi, η τεχνολογία θα είναι επίσης χρήσιμη για την ανάπτυξη εξατομικευμένων φαρμάκων και την ανακάλυψη φαρμάκων για την καταπολέμηση της αγγειακής γήρανσης. Αυτό οφείλεται στο ότι, σε αντίθεση με τα ζωικά μοντέλα, τα κύτταρα θα μπορούσαν να ληφθούν απευθείας από τους ασθενείς για τη μελέτη των ειδικών καταστάσεων τους.

«Έχουμε την επιλογή να μελετήσουμε συγκεκριμένα δείγματα δωρητών. Μπορούμε να αποκτήσουμε βλαστοκύτταρα από τους ασθενείς μας και στη συνέχεια να τα διαφοροποιήσουμε σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, για παράδειγμα σε αυτά που βρίσκονται στα αιμοφόρα αγγεία, και αργότερα να μιμηθούν συγκεκριμένες καταστάσεις ή να δοκιμάσουμε συγκεκριμένα φάρμακα», λέει.

«Εκτός από την προσφορά βασικών εργαλείων για την κατανόηση της καρδιαγγειακής παθολογίας, τον έλεγχο φαρμάκων και την αξιολόγηση των θεραπευτικών αποτελεσμάτων, η τεχνολογία organ-on-a-chip προσφέρει ποικίλες πλατφόρμες μελέτης για προκλινική έρευνα, ενθαρρύνοντας καινοτόμες προσεγγίσεις για τον μετριασμό των καρδιαγγειακών παθήσεων και, τελικά, τη βελτίωση των αποτελεσμάτων των ασθενών. ”

Εγγραφείτε στο εβδομαδιαίο newsletter μας



Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *