Kredi: N. Hanacek/NIST

NIST'in Çip Üzerinde Kalbi: Kardiyovasküler Araştırmaların Geleceğini Şekillendiren
 Mikroakışkan Bir Mucize




Kredi: N. Hanacek/NIST

---

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) araştırmacılar, ilaç geliştirmede önemli bir adım atarak çip üzerinde kalp (HoC) olarak bilinen bir sistem oluşturmak için bir araç geliştirdiler. Bu teknoloji, büyük ölçüde hayvan deneylerine dayanan geleneksel kardiyovasküler ilaç geliştirmenin sınırlamalarını ele almayı amaçlıyor. HoC sistemi, kardiyovasküler hastalıkları incelemek için insan benzeri modelleri çoğaltarak, hayvan deneylerinin  yerini almaya, ilaç geliştirme zaman çizelgelerini kısaltmaya ve maliyetleri düşürmeye yardımcı olma vaadinde bulunuyor. NIST ekibinin sonuçları Lab on a Chip ' de yayımlandı. 

•    HoC, kalp içindeki hücrelerin karmaşık etkileşimlerini küçük bir çip üzerinde taklit eden bir cihazdır ve daha büyük çip üzerinde organ (OoC) paketinin bir parçasıdır. Çip üzerinde kalbin gerçek tasarımı değişkendir, ancak tipik olarak bir polimer tabakası üzerine basılmış bir mikrokanal ağından oluşan küçük, şeffaf veya yarı şeffaf bir çiptir. Bu mikro kanallar, insan kalbinde bulunan kan damarlarını taklit etmek için karmaşık bir şekilde tasarlanmıştır. Araştırmacılar, davranışlarını manipüle etmek ve gözlemlemek için insan kalp hücrelerini bu mikrokanalların içine yerleştiriyor. Araştırmacılar onları bağımsız olarak uyarabilir veya bir ilacın verilmesi gibi farklı koşullar altında davranışlarını gözlemleyebilirler.
 

 

Çip üzerindeki kalp, bir polimer tabakası üzerine basılmış bir mikrokanal ağından oluşur. Kalp hücreleri, davranışlarını manipüle etmek ve gözlemlemek için bu mikrokanalların içine yerleştirilir.
Kredi: N. Hanacek/NIST

Bu HoC sisteminin geliştirilmesine öncülük eden NIST araştırmacısı Darwin Reyes, "Çip üzerindeki kalp, gerçek bir kalbin koşullarını taklit edecek şekilde tasarlandı" dedi. "Kök hücreleri kalp hücrelerine dönüştürmek ve kalp atışı üretmek için vücutta yaptıkları gibi onların kasılıp gevşemelerini sağlamak için ortamı yönlendirebiliriz."

Çip üzerinde organ sisteminin "kalbi", mikroakışkanlar adı verilen bir şeyde yatıyor; bu, aslında araştırmacıların çok küçük miktarlardaki sıvıları hassas bir şekilde kontrol edip  yönlendirebildiği  minyatür bir tesisat sistemidir. Araştırmacılar, laboratuvardaki küçük çipler üzerinde gelişmiş organ ve doku modelleri oluşturmak için mikroakışkanları kullanıyor. 

Reyes, "Çipin kendisi birçok farklı hücre tipiyle kullanılabilir" dedi. "Özellikle bu projede kalp hücrelerini kullanıyoruz, ancak davranışlarını görsel ve elektronik olarak izlemek için sistemin özelleştirilmiş bir versiyonunu diğer hücrelerle kullanabilirsiniz."

"Çip üzerinde organ" kavramı kalbin ötesine uzanıyor. Araştırmacılar çeşitli organların koşullarını taklit eden çipler oluşturabiliyor ve hatta bu çipler birbirine bağlanarak çoklu organ sistemi oluşturabiliyor. Örneğin, kalp ve karaciğerin belirli ilaçlara veya tıbbi koşullara yanıt olarak nasıl etkileşime girdiğini simüle etmek için çip üzerinde karaciğere bağlı bir çip üzerinde kalp kullanabilirsiniz. Bu yaklaşım, insan vücudunda farklı organların birlikte nasıl çalıştığının daha kapsamlı anlaşılmasını sağlar.

Hayvan Deneylerini  Yeniden Düşünmek

Geleneksel ilaç geliştirmede hayvanlar genellikle denek olarak kullanılır. Ancak hayvan fizyolojisi insan fizyolojisine tam olarak uymamaktadır. Bir ilaç, hayvan denekler üzerinde yapılan bir deneyi geçebilir ancak daha sonra insan testlerinde başarısız olabilir. Bu sadece ilaç deney sürecini geciktirmekle kalmaz, aynı zamanda insan denekleri ilacın olumsuz etkilerine maruz kalma riskiyle karşı karşıya bırakır. Ayrıca, hayvanlar üzerinde yapılan testlerin etik olup olmadığı konusunda da tartışmalar devam etmektedir.

Reyes, "Nihai hedef, mümkünse hayvan deneylerini tamamen atlayabilmek," dedi. "Bu aynı zamanda ilaçların deneylerini gerçekleştirmek  için gereken süreyi de kısaltacak ve ilaçların daha ucuza mal olmasını sağlayacaktır."

2022 yılında Başkan Joe Biden FDA Modernizasyon Yasası 2.0'ı  imzaladı. Yasa tasarısı, her yeni ilaç geliştirme protokolü için hayvan testlerini zorunlu kılan 1938 tarihli Federal Gıda, İlaç ve Kozmetik Yasasını esasen revize etmektedir. Geçtiğimiz yüzyıl boyunca bu zorunluluk, ilaçlar ve tıbbi cihazlar için belirli kalite ve güvenlik standartlarını sağlamayı amaçlarken, bilimdeki son gelişmeler, çip üzerinde organ sistemleri de dahil olmak üzere hayvan deneylerine giderek daha uygulanabilir alternatifler sunmaya başladı.

Çip Üzerinde Organ Teknolojisinin Standartlaştırılması için Küresel İşbirliği

Bu yeni teknolojinin geliştirilmesi bir boşlukta yapılmıyor. Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, ilaç geliştirmede yeni bir çağ başlatmak için benzer mikroakışkan cihazlar üzerinde çalışıyor. Ancak bunu gerçeğe dönüştürmek için standardizasyona, yani bu teknolojiler için tutarlı yönergeler ve kurallar oluşturmaya ihtiyaç var. Bu sadece düzenleyici onayların alınmasına yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda bilimsel, endüstriyel ve tıbbi topluluklarda daha iyi kabul görmesini sağlar. NIST, dünya çapındaki bilimsel kuruluşlarla birlikte bu teknolojiye yönelik standartların geliştirilmesinde aktif bir katılımcıdır.

Reyes, "Şu anda yapılmakta olanın ve gittiğimiz yerin dışında ne kadar işbirlikçi araştırma olursa, bu teknoloji o kadar iyi olacak" dedi.

Kardiyovasküler Odağın Ötesinde Genişleyen Ufuklar

HoC kardiyovasküler ilaç geliştirmeye odaklanmış olsa da, OoC yetenekleri belirli bir organın ötesine uzanmaktadır. Sistem, kanser araştırmalarıyla ilgili olanlar da dahil olmak üzere çeşitli hücre tiplerine uygulanabilir. 

Reyes, "Kanser hücrelerinin hareketini ve saldırganlığını gerçek zamanlı olarak nasıl izleyebileceğimizi anlamak için test aşamasındayız" dedi. "Umudumuz, gelecekte, daha fazla deneyle, sistemin tanıya yardımcı olabilecek kanser hücresi saldırganlığı ölçümleri sağlayabilmesidir."

Sıkı standartlarla desteklenen bu yeni teknoloji, ilaç geliştirmenin hassasiyet, verimlilik ve yüksek etik hususlarla karakterize edildiği bir geleceğe doğru önemli bir adıma işaret ediyor.
________________________________________
Bildiri: Derrick Butler ve Darwin R. Reyes. Çip Üzerinde Kalp Sistemi: Hastalık Modelleme ve İlaç Tarama Uygulamaları. Çip Üzerinde Laboratuvar. Çevrimiçi yayınlandı Şubat 6, 2024. DOI: 10.1039/D3LC00829K



Kaynak: 
https://www.nist.gov/news-events/news/2024/02/nists-heart-chip-microfluidic-marvel-shaping-future-cardiovascular-research


NIST hakkında

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) 1901'de kuruldu ve şu anda ABD Ticaret Bakanlığı'nın bir parçası. NIST, ülkenin en eski fizik bilimi laboratuvarlarından biridir. Kongre, ajansı o dönemde ABD'nin endüstriyel rekabet gücüne yönelik büyük bir sorunu ortadan kaldırmak için kurdu: Birleşik Krallık, Almanya ve diğer ekonomik rakiplerin yeteneklerinin gerisinde kalan ikinci sınıf bir ölçüm altyapısı.

Akıllı elektrik şebekesi ve elektronik sağlık kayıtlarından atom saatlerine, gelişmiş nanomateryallere ve bilgisayar çiplerine kadar sayısız ürün ve hizmet, bir şekilde Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü tarafından sağlanan teknolojiye, ölçüme ve standartlara dayanmaktadır.

Günümüzde NIST ölçümleri, en küçük teknolojileri, tek bir insan saçının ucuna on binlercesinin sığabileceği kadar küçük nano ölçekli cihazlardan, depreme dayanıklı gökdelenlere ve küresel iletişim ağlarına kadar insan yapımı yaratımların en büyük ve en karmaşıklarına kadar desteklemektedir. .

Misyon

Ölçüm bilimini, standartları ve teknolojiyi ekonomik güvenliği artıracak ve yaşam kalitemizi artıracak şekilde geliştirerek ABD'nin yenilikçiliğini ve endüstriyel rekabet gücünü teşvik etmek.

Görüş

NIST, kritik ölçüm çözümleri oluşturma ve adil standartları teşvik etme konusunda dünya lideri olacak. Çabalarımız yeniliği teşvik ediyor, endüstriyel rekabeti teşvik ediyor ve yaşam kalitesini artırıyor.

Temel yeterlilik

Temel değerler

NIST, hem geçmişimize hem de mevcut çalışmalarımıza yansıyan güçlü değerlere sahip bir kuruluştur. NIST liderliği ve personeli, güvenli ve herkese saygılı, yüksek performanslı bir ortam sağlamak için bu değerleri koruyacaktır.