‘Body-On-Chip’ माइक्रोफ्लुइडिक समाधान 3डी प्रिंटिंग का लाभ उठाने के लिए

बेहतर बॉडी लैब मॉडल की आवश्यकता

Finding and testing new drugs is always a complex and expensive process. Historically, it was entirely reliant on testing the new products on animals and humans.

नए दवाओं की खोज और परीक्षण हमेशा एक जटिल और महंगा प्रक्रिया होती है। ऐतिहासिक रूप से, यह पूरी तरह से नए उत्पादों को जानवरों और मनुष्यों पर परीक्षण करने पर निर्भर था।

हाल ही में, इन-विट्रो परीक्षण का उपयोग यह देखने के लिए किया गया है कि संभावित नई दवा विशिष्ट कोशिका प्रकारों पर क्या प्रभाव डाल सकती है।

हालांकि, इन-विट्रो अध्ययनों की प्रासंगिकता हमेशा अनिश्चित रहती है, क्योंकि पूरा शरीर, चाहे वह जानवर हो या मानव, केवल कोशिका कल्चर से बहुत अलग होता है। एक एंटी-कैंसर रसायन पेट द्वारा अवशोषित हो सकता है, यकृत द्वारा नई अणु में परिवर्तित हो सकता है, और मस्तिष्क पर अप्रत्याशित प्रभाव डाल सकता है। इन सभी प्रक्रियाओं की सही पहचान केवल कैंसर कोशिकाओं की कल्चर से नहीं हो पाएगी।

यह केवल शैक्षणिक मुद्दा नहीं है, क्योंकि कई संभावित दवाएँ क्लिनिकल ट्रायल के चरण I में विफल हो जाती हैं, जिससे सुरक्षा समस्याएँ उजागर होती हैं जो जानवर और इन-विट्रो अध्ययनों ने समय पर पहचान नहीं की।

यह बदले में बहुत पैसा खर्च करता है और भविष्य की जीवनरक्षक दवाओं की लागत बढ़ाता है।

स्रोत: Research Gate

सौभाग्य से, एक नई तकनीक मदद के लिए आ रही हो सकती है, जो प्रयोगशाला सेटिंग्स में पूरे शरीर का बहुत अधिक सटीक सिमुलेशन प्रदान करती है।

ऑर्गन-ऑन-ए-चिप

“बॉडी-ऑन-ए-चिप,” जिसे “ह्यूमन-ऑन-ए-चिप” या माइक्रो फिज़ियोलॉजिकल सिस्टम्स भी कहा जाता है, शरीर के पूरे या भाग को कोशिका कल्चर के साथ दोहराने का लक्ष्य रखती है।

ऐसा करने के लिए, यह कई छोटे इन-विट्रो अंगों (“ऑर्गन-ऑन-ए-चिप”) को आपस में जोड़ता है।

स्रोत: Harvard 

ऑर्गन-ऑन-ए-चिप एक तकनीक है जो माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग करके कोशिका कल्चर को पोषक तत्व प्रदान करती है, जिससे पोषक तत्वों और दवाओं के वास्तविक अंग में प्रसार का यथार्थवादी सिमुलेशन बनता है।

उदाहरण के लिए, यह “एयरवे-ऑन-ए-चिप” मॉडल बना सकता है जो मानव वायुमार्गों के कार्य को सिमुलेट करता है, साथ ही मानव आंतों, किडनी या बोन मैरो के मॉडल भी बना सकता है।

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ऑर्गन-ऑन-ए-चिप से बॉडी-ऑन-ए-चिप तक

कई ऑर्गन-ऑन-ए-चिप सिस्टम को मिलाकर, आप पूरे शरीर के भाग बनाना शुरू कर सकते हैं और यह सही तरीके से विचार कर सकते हैं कि एक दवा वास्तविक रोगी में कौन-सी जैविक प्रक्रिया करेगा।

यह विभिन्न जैविक तंत्रों को शामिल कर सकता है जैसे कि इम्यून प्रतिक्रिया, पेट, फेफड़े या रक्त वाहिकाओं में दवा का अवशोषण, मांसपेशी संकुचन, यकृत मेटाबोलिज़्म आदि।

स्रोत: Harvard

एक बार फिर, यह महत्वपूर्ण है, क्योंकि अधिकांश दवा प्रभाव (सकारात्मक और नकारात्मक) केवल तब समझे जा सकते हैं जब कई विभिन्न अंगों की प्रतिक्रियाओं को ध्यान में रखा जाए।

बॉडी-ऑन-चिप डिज़ाइन्स

सभी बॉडी-ऑन-चिप समान नहीं बनते, और पूरे सिस्टम को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले ऑर्गन-ऑन-ए-चिप के कई विभिन्न डिज़ाइन मौजूद हैं। प्रत्येक के अपने फायदे हैं और मेडिकल शोधकर्ता इन्हें अलग-अलग तरीके से उपयोग करते हैं।

उन्हें वर्गीकृत करने का एक तरीका उपयोग किए गए कोशिका और ऊतक प्रकार के आधार पर है। कुछ ऑर्गन-ऑन-ए-चिप केवल एक ही कोशिका प्रकार (मोनोकल्चर) का उपयोग करती हैं, जो कृत्रिम माइक्रोस्ट्रक्चर या कोलेजन लेयर द्वारा समर्थित होती हैं। अन्य में कई कोशिका प्रकार एक साथ संगठित होते हैं, चाहे वह स्फेरॉइड में हों या अधिक जटिल 3D संरचनाओं में।

स्रोत: Nature.com

एक अन्य वर्गीकरण विधि यह जांचती है कि तरल कैसे ऑर्गन-ऑन-ए-चिप में और उनके बीच स्थानांतरित होते हैं। वे समान परिवेशीय तरल साझा कर सकते हैं, या रक्त या लसीका प्रणाली की नकल करने वाली कस्टम ट्यूबों के माध्यम से जुड़े हो सकते हैं। तरल प्रवाह निरंतर हो सकता है या रोबोटिक तरल स्थानांतरण द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।

वे पोषक तत्वों और दवाओं के परिसंचारी तरल से एक छिद्रयुक्त झिल्ली या कोशिकाओं की परत (एंडोथेलियम) द्वारा भी अलग किए जा सकते हैं।

स्रोत: Nature.com

जैसा कि आप कल्पना कर सकते हैं, इस विविधता के डिज़ाइन लगभग अनंत संभावित संयोजन बनाते हैं। इसलिए, जबकि यह पहले से ही बहुत उपयोगी है, शोधकर्ता अभी भी ऑर्गन-ऑन-ए-चिप और बॉडी-ऑन-ए-चिप के डिजाइन की शुरुआत में हैं और परिपूर्ण प्रतियों, विश्वसनीयता और उत्पादन लागत के बीच इष्टतम संतुलन खोजने के लिए प्रयोग कर रहे हैं।

ऑर्गन-ऑन-चिप बाजार

ऑर्गन-ऑन-चिप एक नई तकनीक है जो अब ही पर्याप्त परिपक्वता तक पहुंच रही है ताकि वह शोध लैब से बाहर निकलकर दवा विकास प्रक्रिया में प्रवेश कर सके। 2023 में, यह $103M का बाजार था।

अंदाज़ा लगाया गया है कि ऑर्गन-ऑन-चिप का बाजार 2026 तक $303M होगा, पशु परीक्षण को बदलने से तेज़ वृद्धि के साथ 2027 के लिए $529M का अनुमान है।। अन्य भविष्यवाणियों में यह 2032 तक $1.4 बिलियन तक बढ़ेगा, 8 वर्षों में 10 गुना से अधिक वृद्धि होगी।

बॉडी-ऑन-चिप और भी नया है और यह अपनी प्रदर्शन, विश्वसनीयता को सुधारने और लागत कम करने के लिए तकनीकी नवाचार से बहुत लाभान्वित होगा।

बॉडी-ऑन-चिप अनुप्रयोग

फार्माकोकाइनेटिक्स

दवाओं की एक प्रमुख विशेषता जो उनकी प्रभावशीलता और संभावित विषाक्तता को गहराई से प्रभावित करती है, वह “फार्माकोकाइनेटिक्स” है। सरल शब्दों में, यह यह दर्शाता है कि दवा शरीर में और प्रत्येक अंग के ऊतकों में कितनी तेज़ी से प्रसारित होगी।

यह कागज या कंप्यूटर मॉडल पर भविष्यवाणी करना कठिन है, क्योंकि यह इस पर निर्भर करता है कि पेट, रक्तप्रवाह और अंग विशिष्ट रसायन पर कैसे प्रतिक्रिया करेंगे।

इसके लिए, यथासंभव पूर्ण बॉडी-ऑन-चिप की आवश्यकता होती है, जहाँ दवा का प्रवेश बिंदु इस बात पर निर्भर करता है कि वह मौखिक (पेट और आंत), एयरोसोल (फेफड़े) या अंतःशिरा (रक्तप्रवाह) द्वारा दिया गया है।

स्रोत: Nature.com

व्यक्तिगत चिकित्सा

बॉडी-ऑन-चिप का एक और बड़ा वादा व्यक्तिगत चिकित्सा की संभावना है। बढ़ती हुई, शोधकर्ता और बायोटेक स्टार्टअप यह विकसित करने की कोशिश कर रहे हैं कि दवाएँ केवल “मानव” के लिए नहीं, बल्कि उप-श्रेणियों (लिंग, वंश, आयु, जीन प्रोफ़ाइल आदि) के अनुसार व्यक्तिगत रोगी के लिए अनुकूलित हों।

उनकी उच्च प्रतिकृति, कोई स्वास्थ्य जोखिम नहीं, और कम लागत के कारण, वे विकास के शुरुआती चरणों में दवा को परिष्कृत करने के लिए कई क्लिनिकल ट्रायल को लाभदायक रूप से प्रतिस्थापित कर सकते हैं।

उदाहरण के लिए, वे सुरक्षा समस्याओं के उत्पन्न होने पर वैकल्पिक दवा उम्मीदवारों की पहचान में मदद कर सकते हैं, विशेष रूप से यदि समस्या केवल एक विशिष्ट उप-जनसंख्या को प्रभावित करती है।

स्रोत: Nature.com

प्रारंभ में, बॉडी-ऑन-चिप को मुख्यतः मौजूदा इन-विट्रो और पशु अध्ययनों की श्रेष्ठता सिद्ध करनी होगी।

हालांकि, अंतिम लक्ष्य इन-विवो रोगी क्लिनिकल ट्रायल की सटीक प्रतिकृति बनाना होगा।

एक और अधिक दूरस्थ भविष्य में, हम कल्पना कर सकते हैं कि रोगी की अपनी कोशिकाओं वाले बॉडी-ऑन-चिप का उपयोग विभिन्न दवाओं की प्रतिक्रिया को पहले से भविष्यवाणी करने और सर्वोत्तम उपचार विधि निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है।

बॉडी-ऑन-चिप बनाने में मदद के लिए 3डी प्रिंटिंग

वास्तविक अंग जटिल 3D संरचनाएँ हैं जिनमें विभिन्न कोशिकाओं और ऊतकों का जटिल मिश्रण होता है।

पूरे बॉडी-ऑन-चिप को बनाते हुए ऑर्गन-ऑन-चिप को वास्तविक रूप से सिमुलेट करने के लिए, निर्माण प्रक्रिया को वास्तविक अंग ऊतकों की लगभग सटीक प्रतिकृति बनाना आवश्यक है। या, भविष्य में, शायद पूरी तरह से विकसित अंग भी।

यह केवल उभरती हुई तकनीक बायोप्रिंटिंग के कारण संभव होगा।

यह 3D प्रिंटिंग के मुख्य सिद्धांत को पुनः उपयोग करता है: एक नोज़ल कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित होता है और इच्छित सामग्री को धीरे-धीरे सही स्थान पर जमा करता है। लेकिन प्लास्टिक या धातु की बजाय, यह जीवित कोशिकाओं को जमा करता है।

बायोप्रिंटिंग ने ऑर्गन और बॉडी-ऑन-चिप तकनीक के साथ समानांतर में विकास किया है, प्रारंभ में कोशिकाओं के साथ “प्रिंटिंग” की तकनीकी कठिनाई को हल करने पर अधिक ध्यान केंद्रित किया गया।

वर्तमान में, उद्योग अभी भी मुख्यतः कृत्रिम स्कैफ़ोल्डिंग पर निर्भर करता है ताकि प्रिंट की गई कोशिकाओं को संरचना मिल सके। हालांकि, अधिक जैविक समान 3D-प्रिंटेड अंग बनाने में प्रगति हुई है।

इसलिए, यदि वर्तमान ऑर्गन-ऑन-चिप मुख्यतः एक टेम्पलेट को पुनः बनाता है जो अंग के बहु-परतों को बनाता है, तो उन्नत बायोप्रिंटिंग विधियों के साथ इसे मिलाकर और अधिक यथार्थवादी सिमुलेशन बनाए जा सकते हैं।

यदि आप अधिक पढ़ना चाहते हैं, तो हमने अपने लेखों में बायोप्रिंटिंग को गहराई से खोजा है “ऑर्गन्स ऑन डिमांड: सर्वश्रेष्ठ 3D बायोप्रिंटिंग स्टॉक्स” और “नई तकनीक कार्यात्मक मस्तिष्क ऊतक की 3D प्रिंटिंग की अनुमति देती है”。

बायोप्रिंटिंग और बॉडी-ऑन-चिप कंपनियां

1. BICO Group AB (BICO.ST)

In 2021, Cellink को BICO Group के रूप में पुनः नामित किया गया, 2019 में Cytena लैब ऑटोमेशन टूल्स और 2020 में Scienion हाई-प्रिसिजन माइक्रो-ड्रॉप माप उपकरणों के अधिग्रहण के बाद।

Cellink अभी भी व्यवसाय के बायोप्रिंटिंग भाग का ब्रांड नाम है।

हालांकि इस क्षेत्र में अकेला नहीं है, Cellink स्पष्ट रूप से एक बहुत उन्नत बायोप्रिंटिंग उपकरण निर्माता है, जो बायोटेक और बायोमेडिसिन में शोधकर्ताओं को सप्लाई करने पर केंद्रित है।

दीर्घकाल में, बायोप्रिंटिंग कंपनियों का विकास उपकरण प्रदान करने वाले शोधकर्ताओं से दवा कंपनियों के बायोप्रिंटिंग थैरेपी के आपूर्तिकर्ता बनने की ओर हो सकता है। यह बदले में उपयोग में बायोप्रिंटरों की संख्या और, अधिक महत्वपूर्ण, हर महीने बेचे जाने वाले उपभोग्य पदार्थों की मात्रा को पूरी तरह बदल देगा।

यह वही प्रक्रिया है जो अन्य बायोलैब उपकरण निर्माताओं के साथ हुई, जिसमें जीनोम सीक्वेंसिंग मशीनें PacBio (PACB) और Illumina (ILMN) शामिल हैं, जिन्होंने अंततः अपनी आय का 80% उपभोग्य वस्तुओं की आवर्ती बिक्री से प्राप्त किया।

2. Organovo

Organovo की स्वामित्व वाली तकनीक 3D-प्रिंटेड मानव ऊतकों का उपयोग करके वास्तविक मानव ऊतकों के प्रमुख पहलुओं, जैसे संरचना, वास्तुशिल्प, कार्य और रोग, की नकल करती है।

यह नई उपचारात्मक संभावनाओं वाले अणुओं को खोजने के लिए उपयोग किया गया। 3D टिश्यू मॉडल में संभावित अणुओं को पहले सत्यापित करके, कंपनी आशा करती है कि क्लिनिकल ट्रायल में विफलताओं के जोखिम को कम किया जा सके, क्योंकि मानव पर किसी भी परीक्षण से पहले अधिक यथार्थवादी इन-विट्रो सेलुलर मॉडल उपलब्ध होता है।

Organovo की पाइपलाइन इन्फ्लेमेटरी बाउल डिसीज (IFD) और लिवर फाइब्रोसिस पर केंद्रित है, जिसमें एक प्रोग्राम क्लिनिकल ट्रायल के चरण 2/3 में और एक चरण 1 में है। चरण 2a POC परिणाम 2025 के दूसरे हाफ में अपेक्षित हैं।

स्रोत: Organovo

2022 में संयुक्त राज्य में 2.1 मिलियन केस और वैश्विक स्तर पर 13 मिलियन केस इन्फ्लेमेटरी बाउल डिसीज के थे, जो $6.6 बिलियन के बाजार का प्रतिनिधित्व करता है। यह 2032 तक 6% CAGR पर बढ़ने की उम्मीद है, जिससे $12 बिलियन का बाजार बन जाएगा।

चूंकि Organovo ध्रुवीकृत एपिथेलियम और इंटरस्टिशियल लेयर के साथ आंत ऊतक का यथार्थवादी सिमुलेशन उपयोग करता है, इसलिए उनके पास इन-विट्रो में यह अच्छी प्रतिनिधित्व है कि उनकी दवा रोगी पर कैसे कार्य करेगी।

स्रोत: Organovo

संभव है कि जैसे-जैसे बॉडी-ऑन-चिप अधिक परिपक्व तकनीक बनती जाएगी, Organovo का 3D-प्रिंटेड मानव ऊतकों का उपयोग करने वाला दृष्टिकोण दवा विकास में शुरुआती संभावित समस्याओं की भविष्यवाणी करने में और अधिक संभावित हो जाएगा।

यह बदले में इसे दवा खोज को तेज़ करने और अपने पूंजी का अधिक कुशल उपयोग करने में मदद करेगा, उन प्रतिस्पर्धियों की तुलना में जो अभी भी पुराने तरीकों पर निर्भर हैं।