Çipte Organlar: İnsan Hücreleri Barındıran Mikroakışkan Temelli Çipler, Yeni İlaçların Önünü Açabilir!

Günümüzde ilaç geliştirme, kimi durumda 10 yıldan uzun sürebilen ve masrafları on milyonlarca dolara varabilen, çok zorlu bir iştir. İlaç geliştirmede yaşanan aksaklıkların ve genel yetersizliğin bir sebebi, insanlarda kullanılacak ilaçların önce hayvanlarda test edilmesi gerekmesidir. Zaman zaman hayvan modelleri insan fizyolojisini iyi yansıtmadığı için, hayvanlarda zararsız etkileri olan ve başarılı olan bir ilaç, insanlarda tam tersi (veya beklenmedik diğer) etkiler yaratabilir. Hayvan deneylerinin etik ikilemleri de ilaç testlerinin bir diğer olumsuzluğudur.

Mikroçiplere yerleştirilmiş insan hücrelerinden yapılan sentetik mikroorganlar veya Çipte Organlar (İng: "organ-on-chips" veya kısaca "OOCs") hem etik açıdan, hem de zamandan ve masraftan kâr etmesi açısından, hayvan modellerinin sebep olduğu sıkıntılara çözüm olmaya aday bir teknolojidir.

Sentetik mikroorganlar, organlara özgü hücrelerin; transparan, esnek ve çevre dostu bir plastik çeşidi olan ve göz lenslerinde de kullanılan polidimetilsiloksan (İng: "polidimetilsiloxane" veya kısaca "PDMS") adı verilen bir malzemeden yapılma USB boyutundaki çiplerde büyütülmesi ve bu platformlar üzerinde 3 boyutlu olarak düzenlenmesiyle üretilir. Sentetik mikroorganlar, organoidlerden, yani 3 boyutlu organ kültürlerinden farklı olarak, sadece hücre dizimi açısından değil mekanik yollarla da fizyolojik olarak dokuyu taklit eder.

Sensörler, akışkan geçitler ve minik pompalar; sentetik mikroorganlar içine, taklit ettiği organın fizyolojik koşullarını oluşturmak için yerleştirilir. Örneğin, akciğer sentetik organlarında, nefes alıp verme sırasında alveollerin kasılıp gevşemesini taklit edebilmesi için küçük mekanik olarak genişleyebilen kanallar bulunur.

Membran, madde alışverişinde hücrenin en belirleyici parçasıdır. Üre konsantrasyonu, kan detoksifikasyonu, gaz değişimleri, ve daha birçok metabolik işlem hücre membranının ve hücrenin türüne göre belirlenir. Mekanik manipülasyonlar, organı taklit etmede destek ve takip görevi görürken, çipte organlar arasındaki asıl farklılığı oluşturan, sentetik mikroorganlar üzerine dizilmiş canlı hücrelerin çeşitleridir. Bu üç boyutlu organ kesitleri, insan fizyolojisini taklit ederek, ilaç geliştirme çalışmaları için insan ve hayvanları denek olarak kullanmayan bir model oluşturur. Wyss Enstitüsü, şöyle anlatıyor:

Sentetik mikroorganlar, canlı organların asıl fonksiyonel birimlerinin üç boyutlu enine kesitleridir. Transparan yapıları canlı insan dokularının organ içindeki iç çalışma mekaniklerine bir pencere oluşturur.

UFluidix

Harvard’daki Wyss Enstitüsü'nün Kurucu Direktörü Donald Ingber, Dan Huh isimli bir öğrencinin 2007'de ürettiği çipte akciğer projesinden etkilenerek çipte organ teknolojisini geliştirmeye başladı. 2007'deki araştırmada üretilen mikroçip akciğer, sadece, içinde canlı hücre olmadan gerçek boyutlardaki akciğer kanallarını taklit eden bir modeldi. Dan Huh'un Ingber’in laboratuvarına katılmasıyla, araştırma ekibi, akciğer hava kesesini taklit etmek amacıyla mikroakışkan kanallar içinde nasıl birden fazla hücre tipini yerleştirebileceklerini düşünmeye başladı.

İlaç geliştirme aşamalarını daha verimli hale getirmek için 2010'da ABD Gıda ve İlaç İdaresi (İng: "Food and Drug Administration" veya kısaca "FDA") ve Ulusal Sağlık Enstitüsü (İng: "National Institute of Health" veya kısaca "NIH") tarafından ortak olarak kurulan ve biyomedikal buluşların pazara sunulmasını hızlandırmayı hedef alan maddi yardımlarla, Inberg ve ekibinin çalışmaları 2010'da olumlu sonuç verdi ve Science’ta "Reconstructing Organ Level Lung Functions on a Chip" adlı makalelerini yayınladılar. NIH ve FDA, bunun üzerine Çipte Organ (OOC) teknolojisinin gelişimi için İleri Savunma Projeleri Ajansıyla (DARPA) 5 sene sürecek olan "Doku Çiplerinde İlaç Gözlemi" adlı maddi destek programını başlattı. 2010’da başlayan destek programı 2017’de bitmiş olsa bile NIH, hâlâ sentetik mikroorgan çalışmalarına destek sağlamaya devam ediyor.

NIH, FDA ve DARPA’dan aldıkları destek ile Ingber ve araştırma ekibi, akciğer modelinden sonra karaciğer, bağırsak ve kemik iliğini de içeren 15 tane daha sentetik mikroorgan geliştirdi. Takım, bu sentetik mikroorgan modellerinin ileride hayvan modellerinin yerine geçerek daha efektif bir insan fizyolojisi modeli oluşturabileceğini umuyorlar.

Ayrıca ekip, yine DARPA’dan aldıkları yardımla birden fazla sentetik mikroorganı, mekanik operasyonlarını otomatikleştiren ve aralarında akışkan bağlar kuran Çipte Vücut (İng: "Body-on-Chip" veya kısaca "BOC") adı altında, ilaçların birden fazla sistemde aynı anda gösterdikleri etkiyi gözlemlemek adına bir model geliştirdiler. Çipte Vücut, ilaçların organ sistemlerine etkisini ölçmesi ve hastanın kanındaki dinamik değişimleri öngörmesi amacıyla geliştirildi.

İlk çipte organ makalesinden 4 sene sonra Wyss Enstitüsü araştırmacıları, Emulate, Inc. adı altında bir şirket kurarak, buluşlarını markete sundular. Bugün dünyadaki en iyi 25 biopharma şirketlerinin 17'sini de kapsayan 150 laboratuvar, Emulate., Inc.'ten sentetik organ tedarik etmiş durumdadır. Sentetik organlar, COVID-19 aşı ve ilaç çalışmaları da dahil olmak üzere çok sayıda yeni nesil ilacı geliştirme çalışmalarında kullanılmaktadır. AstraZeneca ve Johnson & Johnson, çipte vücutları türe özgü toksisiteleri incelemek için kullanmaktadır. Çipte organlar, 2015'te New York Şehri Modern Sanat Müzesi tarafından Yılın Tasarımı Ödülü'ne bile layık görüldü ve Dünya Ekonomi Forumu tarafından 2016 yılının en iyi 10 teknolojisi içinde yer aldı.

Bugüne kadar, Emulate, Inc. dışında en az 16 adet çipte organ odaklı şirket ve startup kuruldu. Yeni bir teknoloji olması, üretim masrafları ve kompleks tasarım ihtiyaçlarından ötürü çipte organların yakın zamanda hayvan modellerini temelli olarak yerini alması zor gözükse bile, gelecek vaat eden bir teknoloji olduğu açıktır. Çipte vücutlar ve çipte organlar, gelecekte hem bilim camiasını en büyük etik yükünden, hayvan deneyleri, kurtaran ve İlaç geliştirmedeki gecikmelerle masrafları indirerek medikal çalışmaları daha önce hiç olmadığı kadar hızlandıracak bir potansiyele ulaşabilir. Donald Inberg şöyle diyor:

Laboratuvarımızda mikromühendislikte çığır açan bir çalışmayı sadece birkaç senede topluma büyük katkıları olabilecek bir teknolojiye çevirdik.