מהנדסי MIT פיתחו טכנולוגיה חדשה בה ניתן להשתמש בכדי לבחון תרופות חדשות ולזהות תופעות לוואי אפשריות, לפני שהתרופה נבדקת בבני אדם. באמצעות פלטפורמה של מיקרופלואידים שמחברת רקמות מהונדסות של עד 10 איברים, החוקרים יכולים לשכפל במדויק אינטראקציות בין איברים אנושיים במשך שבועות בכל פעם, והיא מאפשרת להם למדוד את ההשפעות של התרופות על חלקים שונים בגוף.
מערכת כזו יכולה לגלות, למשל, אם לתרופה המיועדת לטפל באיבר אחד תהיה השפעה שלילית על איבר אחר.
צילום: Felice Frankel
“חלק מההשפעות האלו קשות לחיזוי באמצעות ניסויים בבעלי חיים, משום שהמצבים שגורמים להן הם ייחודיים”, אומרת לינדה גריפית, פרופסור מבית הספר להנדסה להוראת חדשנות, וכן פרופסור להנדסה ביולוגית והנדסת מכונות, ואחת המחברות הבכירות של המחקר. “עם השבב שלנו, אתה יכול להחדיר את התרופה ולאחר מכן לחפש את ההשפעות שלה על רקמות אחרות, ולמדוד את החשיפה שלה וכיצד היא נספגת.”
שבבים אלה יכולים לשמש גם כדי להעריך תרופות הקשורות לנוגדנים ותרופות ביולוגיות אחרות, אותן קשה לבדוק ביסודיות בבעלי חיים, כי הם נועדו להתקשר עם המערכת החיסונית האנושית.
דגימת איברים
כאשר מפתחים תרופה חדשה, החוקרים מזהים את מטרותיה בהתבסס על מה שהם יודעים על הביולוגיה של המחלה, ולאחר מכן יוצרים תרכובות המכוונות למטרות אלו. בדיקות פרה-קליניות בבעלי חיים יכולות לספק מידע על בטיחות התרופה ויעילותה לפני תחילת הניסויים בבני אדם, אך יתכן שבדיקות אלו לא יגלו תופעות לוואי אפשריות, אומרת גריפית. יתר על כן, תרופות שפועלות על בעלי חיים לעיתים קרובות נכשלות בניסויים בבני אדם.
“בעלי חיים אינם מייצגים בני אדם בכל היבט לו זקוקים לפיתוח תרופות ובהבנת מחלות”, אומרת גריפית. “הדבר מתברר יותר ויותר כאשר אנו בוחנים סוגים שונים של תרופות.”
סיבוכים יכולים להתעורר גם בשל השונות בין החולים, כולל הרקע הגנטי שלהם, השפעות סביבתיות, סגנונות חיים ותרופות אחרות שהם נוטלים. “הרבה פעמים אתה לא רואה בעיות עם תרופה, במיוחד זו שנרשמת בתפוצה רחבה עד שהיא כבר חודרת לשוק”, אומרת גריפית.
כחלק מפרויקט שהובילה מטעם הסוכנות להגנה על מחקר מתקדם (DARPA), החליטו גריפית ועמיתיה להמשיך בטכנולוגיה שהם מכנים “הפיזיונומיה על צ’יפ”, שלדעתם יכולה להציע דרך כיצד למדוד השפעות של תרופות פוטנציאליות יותר במדויק ובמהירות. כדי להשיג זאת, החוקרים היו זקוקים לציוד חדש – פלטפורמה שתאפשר לרקמות לצמוח ולהתחבר זו עם זו – כמו גם רקמה מהונדסת שתשכפל במדויק את התנהגותם של האיברים האנושיים.
לפני שהושק הפרויקט, איש לא הצליח לחבר יותר מכמה סוגי רקמות שונות על פלטפורמה אחת. יתר על כן, רוב החוקרים שעבדו על סוג זה של שבב עבדו עם מערכות מיקרופלואידיות סגורות, המאפשרות לנוזל לזרום פנימה והחוצה אבל לא מציעות דרך קלה לתמרן את מה שקורה בתוך השבב. מערכות אלו דורשות גם משאבות חיצוניות.
צוות MIT החליט ליצור מערכת פתוחה, אשר בעצם מסירה את המכסה ומקלה על המניפולציה של המערכת ולקיחת דגימות לבדיקה. המערכת שלהם, המותאמת מטכנולוגיה שפותחה בעבר והפכה מסחרית על ידי CN BioInnovations מבריטניה, משלבת גם מספר משאבות שיכולות לשלוט על זרימת הנוזל בין “איברים”, לשכפל את מחזור הדם, תאי החיסון והחלבונים בגוף האדם. המשאבות גם מאפשרות בדיקה של רקמות מהונדסות גדולות, למשל גידולים, בתוך איבר מסוים.
אינטראקציות מורכבות
החוקרים יצרו מספר גרסאות של השבב, המקשר בין עד 10 סוגי איברים: כבד, ריאות, מעיים, המעטפת התוך רחמית, מוח, לב, לבלב, כליות, עור ושרירי השלד. כל “איבר” מורכב מאשכולות של מיליון עד שני מיליון תאים. רקמות אלו אינן משכפלות את האיבר כולו, אך הן מבצעות הרבה תפקידים חשובים שלו. חשוב הוא שרוב הרקמות מגיעות ישירות מדגימות של מטופלים ולא משרשרות תאים שפותחו לשימוש במעבדה. “תאים ראשוניים” אלה, כפי שהם נקראים, קשים יותר לעבודה, אבל הם מהווים מודל מייצג יותר של תפקוד איברים, אומרת גריפית.
צילום: Felice Frankel
באמצעות מערכת זו, החוקרים הראו כי הם יכולים לספק תרופה לרקמות העיכול, המחקה בליעה דרך הפה של התרופה, ולאחר מכן להתבונן כיצד התרופה עוברת לרקמות אחרות ונספגת. הם יכלו למדוד להיכן עוברות התרופות, את ההשפעות של התרופות על רקמות שונות, וכיצד התרופות התפרקו. במאמר אחר שפורסם, החוקרים בדקו כיצד תרופות יכולות לגרום ללחץ בלתי צפוי על הכבד בכך שמערכת העיכול “דולפת”, מה שמאפשר לחיידקים לחדור לזרם הדם ולגרום לדלקת בכבד.
קווין הילי, פרופסור לביו-הנדסה ומדעי החומרים וההנדסה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, אומר כי סוג זה של מערכת צופן פוטנציאל גדול לחיזוי מדויק של תגובות שליליות מורכבות לתרופות.
“בעוד מערכות מיקרו פיזיולוגיות (MPS) שעוסקות באיברים בודדים יכולות להיות מועילות הן לבדיקות פרמקולוגיות והן למחקרים ברמת איברים בסיסיים, הפוטנציאל העצום של טכנולוגיית MPS טמון בחיבור של שבבים של הרבה איברים במערכת משולבת עבור מחקר פרמקולוגי במעבדה. מחקר זה ממחיש היטב כי גישות רבות של “פיזיונומיה על הצ’יפ” המשלבות את הרקע הגנטי של כמויות תאים אנושיים לדגימה, מאפשרות חיזוי מדויק של התכונות הכימיות של התרופות, מידת הספיגה שלהן, פיזורן בגוף, המטבוליזם שלהן, והפרשתן”, אומר הילי, שלא היה מעורב במחקר.
גריפית מאמינה כי היישומים המידיים ביותר של הטכנולוגיה תלויים בדגימה של שניים עד ארבעה איברים. המעבדה שלה מפתחת כעת מערכת דגימה לחולי פרקינסון, הכוללת רקמת מוח, כבד ומעיים, בה היא מתכננת להשתמש בכדי לחקור את ההשערה כי חיידקים שנמצאו במעיים עלולים להשפיע על התפתחות מחלת הפרקינסון.
יישומים אחרים כוללים דגימת גידולים השולחים גרורות לחלקים אחרים בגוף, היא אומרת.
“היתרון של הפלטפורמה שלנו הוא שאנחנו יכולים להתאים את המדידות לתצורות שונות רבות”, אומרת גריפית. “אני חושבת שהתחום עומד לעבור מהפך כאשר נתחיל לקבל עוד מידע מתוך מערכת על שלושה או ארבעה איברים, והיא תתחיל להיות תחרותית, כי המידע שמתקבל הוא יקר ערך הרבה יותר”.
המחקר מומן על ידי משרד המחקר של צבא ארה”ב והסוכנות להגנה על מחקר מתקדם [DARPA].
