Çip organ (Organ-on-a-chip) teknolojisi ile tanışın. Bu teknoloji çip üstünde organ olarak da bilinir ve yaklaşık AA pil boyutundaki mikro mühendislik çipleri ile minyatür insan organları oluşturmayı içeriyor. Bu devrim niteliğindeki teknoloji bilim adamlarının ilaçların, gıdalarda hastalığa neden olan bakterilerin, kimyasalların ve diğer zararlı materyallerin insan vücudundaki etkilerini daha iyi anlamasını sağlama potansiyeline sahip. Bir alternatif olarak, çip organlar hayvan testlerini bitirebilir.
Çip Üzerinde Organ Nedir?
Çip organlar, canlı organların temel işlevlerine sahip mikro mühendislik ürünü biyomimetik sistemlerdir. Hücre kültürü yönteminden daha doğru sonuçlar sunar. Farmasötik ve kimyasal uygulamalar açısından çok ilginç bir araçtır. Doğal insan fizyolojisinin sonuçlarının belirli bir organ üzerinde görülebilmesini ve yeni hastalık modellerinin keşfedilmesini sağlar.
Çip organlar, insan vücudunun hücrelere uyguladığı doğal fizyolojiyi ve mekanik kuvvetleri doğru bir şekilde canlandırıyor. Çipler canlı insan hücreleriyle kaplı ve çipteki minik kanallar sayesinde tıpkı insan vücudunda olduğu gibi kan ve hava akışı sağlanıyor (bkz. mikroakışkan).
Esnek olmaları sayesinde bu çipler nefes alma hareketini veya kas kasılmasını gerçekleştirebiliyor. Akciğer, karaciğer, bağırsak veya beyin gibi her bir çip organ yaklaşık bir AA pil boyutundadır. Çipin şeffaflığı, araştırmacıların organın işlevselliğini, davranışını ve tepkisini hücresel ve moleküler düzeyde görmesini sağlar.
Çip Organ Nasıl Çalışıyor?
Çip organ teknolojisi iki temel tekniğe dayanıyor: İlki, çok az miktarda sıvının akışını hassas şekilde kontrol etmeyi sağlayan mikroakışkan teknolojisidir. Mikroakışkan sayesinde besinler ve diğer kimyasallar organa çok kontrollü bir şekilde iletiliyor. İkincisi ise hücrenin şeklini ve işlevini değiştirmeyi sağlayan mikro yapılar oluşturmaya çok elverişli olan mikrofabrikasyondur (fotolitografi gibi).
Çip organdaki hücreler nasıl hayatta tutuluyor diye merak edebilirsiniz. Mikroakışkan sistemler polidimetilsiloksan (PDMS) denilen silikon maddeyi kullanıyor. PDMS, zengin gaz geçirgenliğine sahiptir ve bu da mikro kanalların içindeki hücrelere oksijen ulaştırmada kullanılır. Ayrıca saydam olduğundan hala hücreyi görmek mümkündür. Yine esnek yapıda olduğundan çip organda "vana" görevi görür: Hücre üzerine mekanik aksiyon uygulamayı sağlar.
Çip Organ Çeşitleri
Endüstriyel veya akademik laboratuvarlarda çok çeşitli doku modelleri geliştirildi. Burada bu çip organlara kısa bir genel bakış sunuyoruz.
Çip Bağırsak
Bu çipli organ türü ilaç deneyleri için çok önemli bir model. Oral olarak uygulanan ilaçlar esas olarak ince bağırsak tarafından emilir ve daha sonra iki bariyerin içinden yayılır: Bir mukoza tabakası ve bağırsak duvarındaki epitel hücre tabakası. Çip bağırsak karmaşık bir modeldir ve bağırsağın çeşitli özelliklerini hesaba katar: Hücresel bileşimini (enterositler ve kadeh hücreleri), yapısal özelliğini (villus ve mukus) ve dinamik özelliğini (peristalsis olarak adlandırılan bağırsak hareketleri).
Çip Karaciğer
Çip karaciğer ilaç toksisitesini değerlendirmede önemli bir unsur. Öyle ki ilaçların yarıda bırakılmasının yarısı akut karaciğer toksisitesi nedeniyle meydana geliyor.
Bilim adamları mikroakışkan yöntemle çip karaciğer geliştirdiler. Bu tasarımda organlar arası etkileşimleri araştırmak için karaciğer ve bağırsak dilimleri bölmeler halinde birleştirildi ve bölmeler arasında sıralı perfüzyon uygulandı.
Çip Akciğer
Akciğer epiteli, patojenler veya kirlilik gibi çok çeşitli çevresel saldırılara maruz kalır. Çip akciğer bu nedenle çevre uygulamaları için mükemmel bir modeldir.
Esnek bir zar üzerinde kültürlenmiş epitel, alveolar epitel ve bağışıklık hücreleri vardır. Akciğer mikrovaskülatüründen geçen kan akışını taklit etmek için kültür alt kanala pompalanır. Fizyolojik solunum hareketlerini taklit etmek için içi boş iki yan kanal periyodik olarak şişirilir ve söndürülür.
Çip Tümör
Kanser araştırmaları için en büyük zorluklardan biri, kanserli hücreleri hedef alacak ancak sağlıklı hücreleri sağlam bırakacak ilaçlar geliştirmektir.
Çok hücreli sferoidler, içi boş lifler ve çok hücreli katman modeller gibi tümörler için birçok model geliştirildi. Perfüzyon sistem, tümör hücrelerine ulaşan kan akışını taklit eder ve bu 3D modellere terapötik ajanlar göndermede kullanılır.
Çip Kas
İskelet kasları, glikoz homeostazına katkılarından dolayı diyabette önemli rol oynuyor. Çip kası modellerinde kas kasılmalarını sağlamak için gömülü elektrotlar kullanılıyor. Ayrıca iskelet kasının yapısal özelliğini canlandırırlar (miyotüplerin düzeni ve sarkomer ile birleşimi)
Birleşik Çip Organ
Tüm bu çip organlar bir araya getirilerek tüm vücuttaki ilaç toksisitesini tahmin etmek için birlikte kullanılabiliyor. Bu söz konusu çip hayvan veya çip insan sistemlerinde farklı organları temsil eden çipler kanallarla birbirine bağlanır.
Bununla birlikte bu alandaki büyük gelişmelere rağmen bazı çeşitli zorluklar var. Kanserli hücre dizileri yerine insan primer hücrelerinin kullanılması, hücrelerin uyaranlara tepkisinin izlenmesi veya mikro çevrenin kalitesinin (metabolit, O2 doygunluğu, pH) kontrol edilmesi gibi.
Çip Organın Kullanımı
Çip organlar, bilgisayara benzer bir araştırma sistemine yerleştiriliyor. Sistem, kan akışı ve solunum hareketleri gibi insan vücudundaki ortamı yeniden canlandırıyor. Bilim adamları, organın tepkisini ve davranışını test etmek için ortama ilaç, kimyasal ve diğer toksinleri sokuyor.
Sistemin modüler yapısı, bilim adamlarının çip organın içindeki hücreleri gözlemlemesine ve analiz etmesine olanak tanıyor. Dahası, çip organlar birbirine bağlanabiliyor, böylece bilim adamları farklı organ sistemlerinin nasıl etkileştiğini gözlemliyor. Yabancı maddeleri çip organın ortamına sokmak bunların insan vücudu üzerindeki etkisini çok daha iyi görmeyi ve anlamayı sağlıyor.
Bilim adamları, çip organdan toplanan verileri tablete yüklenen bir uygulama gibi modern yazılımlarla analiz edebiliyor. Dahası bu yazılımlar organ sistemindeki canlı mikro-ortamı hassas şekilde kontrol etme imkanı sunuyor. Uygulama üstünden hücre mimarisi, dokudan dokuya arayüz, mekanik kuvvet ve biyokimyasal çevre değiştirilebiliyor.
