التكنولوجيا الحيوية
حلول الميكروفلويديك “Body-On-Chip” للاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد
الحاجة إلى نماذج مختبرية للجسم أفضل
إيجاد واختبار الأدوية الجديدة دائمًا ما يكون عملية معقدة ومكلفة. تاريخيًا، كان الاعتماد بالكامل على اختبار المنتجات الجديدة على الحيوانات والبشر.
في الآونة الأخيرة، تم استخدام الاختبارات داخل المختبر (in‑vitro) لمعرفة ما يمكن أن تفعله صيدلية محتملة جديدة على أنواع خلايا محددة.
ومع ذلك، تظل صلة الدراسات داخل المختبر غير مؤكدة دائمًا، حيث أن الجسم الكامل، سواء كان حيوانًا أو إنسانًا، يختلف كثيرًا عن مجرد زراعة خلايا. قد يتم امتصاص مادة كيميائية مضادة للسرطان في الأمعاء، وتتحول إلى جزيء جديد في الكبد، وتظهر تأثيرات غير متوقعة على الدماغ. لن يتم التعرف على أي من هذه العمليات بشكل صحيح باستخدام مجرد زراعة خلايا سرطانية.
هذا ليس مجرد مسألة أكاديمية، حيث أن العديد من الأدوية المحتملة تفشل في المرحلة الأولى من التجارب السريرية، كاشفةً عن مشكلات سلامة فشلتها الدراسات الحيوانية وداخل المختبر في تحديدها مبكرًا بما فيه الكفاية.
وهذا بدوره يكلف الكثير من المال ويزيد من تكلفة الأدوية المنقذة للحياة في المستقبل.
المصدر: Research Gate
لحسن الحظ، قد تكون تقنية جديدة قادمة للإنقاذ، مع محاكاة أكثر دقة للجسم الكامل في بيئات المختبر.
Organ-On-A-Chip
“Body-on-a-chip”، المعروف أيضًا باسم “human-on-a-chip” أو الأنظمة الفسيولوجية الدقيقة، يهدف إلى تكرار كامل أو جزء من الجسم باستخدام زراعات الخلايا.
للقيام بذلك، يربط بين عدة أعضاء مصغرة داخل المختبر (“organ-on-a-chip”).
المصدر: Harvard
Organ-on-a-chip هي تقنية تستخدم الميكروفلويديك لتزويد زراعة الخلايا بالمغذيات، مما يخلق محاكاة واقعية لتشتت المغذيات والأدوية داخل عضو حقيقي.
على سبيل المثال، يمكن أن يخلق نموذجًا لـ “airway-on-a-chip” يحاكي طريقة عمل الشعب الهوائية البشرية، بالإضافة إلى نماذج لـ الأمعاء البشرية، الكلى، أو نخاع العظام.
https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543
From Organ-On-A-Chip to Body-On-A-Chip
من خلال دمج أنظمة organ-on-a-chip متعددة، يمكنك البدء في إنشاء أجزاء من جسم كامل والنظر بشكل صحيح في العملية البيولوجية التي سيؤديها الدواء في مريض حقيقي.
يمكن أن يشمل ذلك آليات بيولوجية متنوعة مثل الاستجابة المناعية، امتصاص الدواء في الأمعاء، الرئتين، أو الأوعية الدموية، انقباض العضلات، استقلاب الكبد، وغيرها.
المصدر: Harvard
مرة أخرى، هذا أمر حاسم، حيث لا يمكن فهم معظم تأثيرات الأدوية (الإيجابية والسلبية) إلا إذا أخذنا في الاعتبار ردود فعل العديد من الأعضاء المختلفة تجاهها.
Body-On-Chip Designs
ليس كل body-on-chips تُصنع بنفس الطريقة، وهناك العديد من التصاميم المختلفة للـ organ-on-chip المستخدمة لبناء النظام الكامل. كل منها له مزاياه الخاصة ويُستخدم بطرق مختلفة من قبل الباحثين الطبيين.
إحدى طرق تصنيفها هي حسب نوع الخلايا والأنسجة المستخدمة. بعض organ-on-chips تستخدم نوعًا واحدًا من الخلايا فقط (monoculture)، مدعومة إما بهياكل دقيقة صناعية أو طبقات من الكولاجين. الأخرى تحتوي على عدة أنواع من الخلايا مجمعة معًا، إما في كُرات أو في هياكل ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا.
المصدر: Nature.com
طريقة تصنيف أخرى تفحص كيفية نقل السوائل إلى داخل وبين organ-on-chips. يمكنها مشاركة نفس السائل المحيط، أو أن تكون مرتبطة عبر أنابيب مصممة خصيصًا تحاكي نظام الدم أو اللمف. يمكن أن يكون تدفق السائل مستمرًا أو يتم التحكم فيه بواسطة نقل السوائل الروبوتي.
يمكن أيضًا فصلها عن السائل المتداول الذي يحتوي على المغذيات والأدوية بواسطة غشاء مسامي أو طبقة من الخلايا (البطانة الوعائية).
المصدر: Nature.com
كما يمكنك أن تتخيل، فإن هذا التنوع في التصاميم يخلق تركيبات شبه لا نهائية. لذا، رغم فائدتها الكبيرة بالفعل، لا يزال الباحثون في بداية تصميم organ-on-chips و body-on-chips ولا يزالون يجربون لإيجاد التوازن المثالي بين النسخ المثالية، والموثوقية، وتكاليف الإنتاج.
Organ-On-Chip Market
Organ-on-chip هي تقنية جديدة وصلت الآن إلى مستوى النضج الكافي للخروج من مختبر البحث ودخول عملية تطوير الأدوية. في عام 2023، كان حجم السوق 103 مليون دولار.
تشير التقديرات إلى سوق organ-on-chip يصل إلى 303 مليون دولار بحلول 2026، مع نمو سريع نتيجة استبدال الاختبارات الحيوانية مما يضع تقديرًا لعام 2027 عند 529 مليون دولار. توقعات أخرى ترى أنه ينمو إلى 1.4 مليار دولار بحلول 2032، أي أكثر من 10 أضعاف خلال 8 سنوات.
Body-on-chip أحدث حتى الآن وستستفيد بشكل كبير من الابتكار التكنولوجي لتحسين أدائها وموثوقيتها وتقليل التكاليف.
Body-On-Chip Applications
Pharmacokinetics
خاصية رئيسية للأدوية تؤثر بعمق على فعاليتها وإمكانية سمّيتها هي “الدوائية الحركية”. بعبارة أبسط، هي مدى سرعة انتشار الدواء في الجسم وفي أنسجة كل عضو على حدة.
من الصعب توقع ذلك على الورق أو عبر نماذج الحاسوب، لأنه يعتمد على كيفية تفاعل الأمعاء، ومجرى الدم، والأعضاء مع مادة كيميائية معينة.
لهذا، يلزم وجود body-on-chips بأكبر قدر ممكن من الاكتمال، مع اختلاف نقطة دخول الدواء بحسب طريقة إدارته سواء عن طريق الفم (المعدة والأمعاء)، أو عبر الرذاذ (الرئتين)، أو عن طريق الوريد (مجرى الدم).
المصدر: Nature.com
Personalized Medicine
وعد كبير آخر لـ body-on-chip هو إمكانيتها في الطب الشخصي. بشكل متزايد، يسعى الباحثون والشركات الناشئة في مجال التكنولوجيا الحيوية إلى تطوير أدوية ليست فقط للـ “بشر” ككل، بل مخصصة لفئات فرعية (الجنس، الأصل، العمر، الملف الجيني، إلخ) حتى المستوى الفردي للمريض.
بفضل قابلية تكرارها العالية، وعدم وجود مخاطر صحية، وتكلفتها المنخفضة، يمكنها استبدال العديد من التجارب السريرية بشكل مفيد في تحسين الدواء في مراحله المبكرة من التطوير.
على سبيل المثال، يمكنها المساعدة في تحديد مرشحين بدائل للدواء عندما تظهر مشكلات سلامة، خاصة إذا كانت المشكلة تؤثر فقط على فئة سكانية معينة.
المصدر: Nature.com
في البداية، سيتعين على body-on-chips إثبات تفوقها على الدراسات داخل المختبر والحيوانية الحالية.
ومع ذلك، الهدف النهائي سيكون تكرار دقيق للتجارب السريرية على المرضى داخل الجسم (in‑vivo).
في مستقبل أكثر بُعدًا، يمكننا أن نتخيل أن body-on-chips التي تحتوي على خلايا المريض نفسها قد تُستخدم للتنبؤ مسبقًا بتفاعل الجسم مع أدوية مختلفة وتحديد أفضل طريقة علاجية.
3D Printing To Help Make Body-On-Chips
الأعضاء الحقيقية هي هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة تحتوي على مزيج معقد من خلايا وأنسجة مختلفة.
لكي يتمكن organ-on-chip المكوّن للجسم الكامل من محاكاة الواقع بدقة، هناك حاجة لعملية تصنيع تُنشئ نسخة شبه مطابقة لأنسجة الأعضاء الحقيقية. أو، في المستقبل، ربما حتى أعضاء مكتملة النمو.
سيكون ذلك ممكنًا فقط بفضل تقنية ناشئة تُسمى الطباعة الحيوية (bioprinting).
إنها تعيد استخدام المبدأ الأساسي للطباعة ثلاثية الأبعاد: يتم التحكم في فوهة بواسطة حاسوب وتضع المادة المطلوبة في المكان المناسب، قطعةً بقطعة. لكن بدلاً من وضع البلاستيك أو المعدن، تضع خلايا حية.
تطورت الطباعة الحيوية بالتوازي مع تكنولوجيا organ & body-on-chip، مع تركيز مبدئي على حل الصعوبة التقنية في “الطباعة” باستخدام الخلايا.
حاليًا، لا يزال القطاع يعتمد في الغالب على هياكل صناعية لتوفير بنية للخلايا المطبوعة. ومع ذلك، تم إحراز تقدم في إنشاء أعضاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد تشبه الأعضاء العضوية أكثر.
لذا، إذا كان organ-on-chip الحالي يعيد في الغالب إنشاء قالب للطبقات المتعددة التي تشكل أنسجة العضو، فإن دمجه مع طرق الطباعة الحيوية المتقدمة قد يخلق محاكاة أكثر واقعية.
إذا كنت ترغب في معرفة المزيد، فقد استكشفنا الطباعة الحيوية بعمق في مقالاتنا “الأعضاء حسب الطلب: أفضل أسهم الطباعة ثلاثية الأبعاد الحيوية” و “تقنية جديدة تسمح بطباعة ثلاثية الأبعاد لنسيج دماغي وظيفي“.
Bioprinting And Body-On-Chip Companies
1. BICO Group AB (BICO.ST)
في عام 2021، تم إعادة تسمية Cellink إلى مجموعة BICO، بعد استحواذها على أدوات أتمتة المختبر Cytena في عام 2019 وأدوات قياس الميكرو‑قطرات عالية الدقة Scienion في عام 2020.
لا يزال اسم Cellink هو العلامة التجارية لجزء الطباعة الحيوية من الأعمال.
على الرغم من عدم كونها الوحيدة في المجال، فإن Cellink هي بوضوح شركة تصنيع معدات طباعة حيوية متقدمة جدًا، تركز على تزويد الباحثين في التكنولوجيا الحيوية والطب الحيوي.
على المدى الطويل، من المحتمل أن تتطور شركات الطباعة الحيوية من توفير الأدوات للباحثين إلى أن تصبح مورِّدة لعلاجات الطباعة الحيوية لشركات الأدوية للمرضى. وهذا سيغير تمامًا عدد الطابعات الحيوية المستخدمة، والأهم من ذلك، حجم المستهلكات المباعة كل شهر.
هذه هي العملية نفسها التي حدثت مع مصنعي معدات المختبرات الحيوية الآخرين، بما في ذلك آلات تسلسل الجينوم من PacBio (PACB) و Illumina (ILMN)، اللذين انتهى بهما الأمر إلى تحقيق 80٪ من إيراداتهما من مبيعات المستهلكات المتكررة.
2. Organovo
(ONVO )
تستخدم تقنية Organovo المملوكة لها أنسجة بشرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد لتقليد الجوانب الرئيسية للأنسجة البشرية الحقيقية، بما في ذلك التركيب، والهيكل، والوظيفة، والمرض.
تم استخدام ذلك للعثور على جزيئات جديدة ذات إمكانات علاجية. من خلال التحقق أولاً من الجزيئات المحتملة في نموذج النسيج ثلاثي الأبعاد، تأمل الشركة في تقليل مخاطر الفشل في التجارب السريرية، بفضل نموذج خلوي داخل المختبر أكثر واقعية قبل إجراء أي اختبارات على البشر.
تركز مجموعة منتجات Organovo على مرض التهاب الأمعاء (IFD) وتليف الكبد، مع برنامج واحد في المرحلة 2/3 من التجارب السريرية وآخر في المرحلة 1. من المتوقع الحصول على نتائج إثبات المفهوم (POC) للمرحلة 2a في النصف الثاني من عام 2025.
المصدر: Organovo
كان هناك 2.1 مليون حالة في الولايات المتحدة في عام 2022 و13 مليون حالة عالميًا من التهاب القولون التقرحي، وهو شكل من أشكال IFD، يمثل سوقًا بقيمة 6.6 مليار دولار. ومن المتوقع أن يستمر النمو بمعدل نمو سنوي مركب 6٪ حتى عام 2032، ليصل إلى سوق بقيمة 12 مليار دولار.
نظرًا لأن Organovo تستخدم محاكاة واقعية للأنسجة المعوية، مع ظهارة مستقطبة وطبقة خلوية وسطية، فمن المحتمل أن لديها تمثيلًا جيدًا داخل المختبر لكيفية تأثير دوائها على المريض.
المصدر: Organovo
من المحتمل أنه مع نضوج تقنية body-on-chip، سيصبح نهج Organovo لاستخدام الأنسجة البشرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد أكثر قدرة على التنبؤ بالمشكلات المحتملة مبكرًا في تطوير الأدوية.
هذا، بدوره، سيساعدها على تسريع اكتشاف الأدوية واستخدام رأس مالها بشكل أكثر كفاءة مقارنة بالمنافسين الذين لا يزالون يعتمدون على طرق أقدم.
