‘Body-On-Chip’ Mikrofluidik Çözümler 3D Baskıyı Kullanmak İçin

Daha İyi Vücut Laboratuvar Modellerine İhtiyaç

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.

Daha yakın zamanda, potansiyel yeni bir farmasötik maddenin belirli hücre tiplerine ne yapabileceğini görmek için in‑vitro testler kullanılmaktadır.

Ancak, in‑vitro çalışmaların geçerliliği her zaman belirsizdir, çünkü bütün bir vücut, hayvan ya da insan, sadece bir hücre kültüründen çok farklıdır. Anti‑kanser bir kimyasal, bağırsak tarafından emilebilir, karaciğer tarafından yeni bir moleküle dönüştürülebilir ve beyne beklenmedik etkiler gösterebilir. Bu süreçlerin hiçbiri yalnızca kanser hücreleri kültürüyle doğru bir şekilde tespit edilemez.

Bu sadece akademik bir sorun değildir; birçok potansiyel ilaç klinik denemelerin faz I’inde başarısız olur ve hayvan ve in‑vitro çalışmaların yeterince erken tespit edemediği güvenlik sorunlarını ortaya çıkar.

Bu da çok para harcamasına ve gelecekteki hayat kurtaran ilaçların maliyetinin artmasına neden olur.

Kaynak: Research Gate

Neyse ki, laboratuvar ortamında tam bir vücudun çok daha doğru bir simülasyonunu sağlayabilecek yeni bir teknoloji yardıma koşuyor olabilir.

Organ-Üzerinde-Çip

“Body-on-a-chip”, “human-on-a-chip” ya da mikro fizyolojik sistemler olarak da adlandırılır ve hücre kültürleriyle bir bütün vücudu ya da bir kısmını yeniden yaratmayı amaçlar.

Bunu başarmak için, birden fazla mini in‑vitro organı (“organ-on-a-chip”) bir araya bağlar.

Kaynak: Harvard 

Organ-on-a-chip mikroakışkanlar kullanarak hücre kültürüne besin sağlayan bir teknolojidir ve besin ve ilaçların gerçek bir organa difüzyonunun gerçekçi bir simülasyonunu oluşturur.

Örneğin, bu, insan solunum yollarının nasıl çalıştığını simüle eden bir “airway-on-a-chip” modeli oluşturabilir ve ayrıca insan bağırsakları, böbrekler veya kemik iliği modelleri oluşturabilir.

https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543

Organ-Üzerinde-Çip’ten Body-On-A-Chip’e

Birden fazla organ-üzerinde-çip sistemini birleştirerek, tam bir vücudun parçalarını oluşturmaya başlayabilir ve bir ilacın gerçek bir hastada gerçekleştireceği biyolojik süreçleri doğru bir şekilde değerlendirebilirsiniz.

Bu, bağışıklık yanıtı, ilaç emilimi (bağırsak, akciğer veya kan damarları), kas kasılması, karaciğer metabolizması gibi çok çeşitli biyolojik mekanizmaları içerebilir.

Kaynak: Harvard

Bir kez daha, bu çok önemlidir, çünkü çoğu ilaç etkisi (pozitif ve negatif) yalnızca birçok farklı organın ona verdiği tepkiler dikkate alındığında anlaşılabilir.

Body-On-Chip Tasarımları

Body-on-chip’ler aynı şekilde üretilmez ve tüm sistemi oluşturmak için kullanılan organ-on-chip’in birçok farklı tasarımı vardır. Her birinin kendi avantajları vardır ve tıp araştırmacıları tarafından farklı şekillerde kullanılır.

Onları sınıflandırmanın bir yolu, kullanılan hücre ve doku tipine göre yapılır. Bazı organ-on-chip’ler yalnızca tek bir hücre tipi (monokültür) kullanır ve yapay mikro yapıların ya da kolajen katmanların desteğiyle çalışır. Diğerleri ise birden fazla hücre tipini bir araya getirir, ya sferoidlerde ya da daha karmaşık 3D yapılar içinde.

Kaynak: Nature.com

Başka bir sınıflandırma yöntemi, organ-on-chip’ler arasındaki ve içindeki sıvıların nasıl transfer edildiğine bakar. Aynı ortam sıvısını paylaşabilirler ya da kan ya da lenf sistemi taklit eden özel tasarım tüplerle bağlanabilirler. Sıvı akışı sürekli olabilir ya da robotik sıvı transferleriyle kontrol edilebilir.

Ayrıca, besin ve ilaçların dolaşan sıvısından gözenekli bir membran ya da hücre katmanı (endotel) ile ayrılabilirler.

Kaynak: Nature.com

Hayal edebileceğiniz gibi, bu tasarım çeşitliliği neredeyse sonsuz kombinasyon olasılığı yaratır. Bu yüzden zaten çok faydalı olmalarına rağmen, araştırmacılar organ-on-chip ve body-on-chip tasarımının henüz başlangıcındalar ve mükemmel kopyalar, güvenilirlik ve üretim maliyetleri arasında optimal dengeyi bulmak için hâlâ deney yapıyorlar.

Organ-Üzerinde-Çip Pazarı

Organ-on-chip, araştırma laboratuvarından çıkıp ilaç geliştirme sürecine girecek kadar olgunluğa yeni ulaşan bir teknolojidir. 2023 yılında pazar değeri 103 milyon dolar idi.

Öngörüler, organ-on-chip pazarının 2026 yılına kadar 303 milyon dolar olacağını, hayvan testlerini ikame etmesiyle hızlı bir büyüme göstererek 2027 için 529 milyon dolar tahmin edildiğini belirtiyor. Diğer tahminler ise 2032 yılına kadar 1,4 milyar dolara ulaşacağını, 8 yılda 10 katından fazla bir artış sağlayacağını öngörüyor.

Body-on-chip ise daha yeni bir teknoloji olup, performansını ve güvenilirliğini artırmak ve maliyetleri düşürmek için teknolojik yeniliklerden büyük ölçüde faydalanacaktır.

Body-On-Chip Uygulamaları

Farmakokinetik

İlaçların etkinliğini ve potansiyel toksisiteyi derinden etkileyen temel bir özelliği “farmakokinetik”tir. Daha basit bir ifadeyle, ilacın vücutta ve her organın dokusunda ne kadar hızlı dağılacağıdır.

Bunu kağıt üzerinde ya da bilgisayar modelleriyle tahmin etmek zordur, çünkü bağırsaklar, kan dolaşımı ve organların belirli bir kimyasala nasıl tepki vereceğine bağlıdır.

Bunun için, mümkün olduğunca tam body-on-chip’ler gereklidir; ilacın giriş noktası, ağız yoluyla (mide ve bağırsaklar), aerosol (akciğerler) ya da intravenöz (kan dolaşımı) olarak uygulanıp uygulanmadığına göre değişir.

Kaynak: Nature.com

Kişiselleştirilmiş Tıp

Body-on-chip’in bir diğer büyük vaadi, kişiselleştirilmiş tıp potansiyelidir. Giderek daha fazla araştırmacı ve biyoteknoloji girişimi, ilaçları sadece “insanlar” genelinde değil, alt kategorilere (cinsiyet, köken, yaş, genetik profil vb.) ve hatta bireysel hastalara uyarlayarak geliştirmeye çalışıyor.

Yüksek tekrarlanabilirlikleri, sağlık riskinin olmaması ve düşük maliyetleri sayesinde, ilaçların geliştirilmesinin erken aşamalarında ince ayar yapılması için birçok klinik denemenin yerine avantajlı bir şekilde geçebilirler.

Örneğin, güvenlik sorunları ortaya çıktığında alternatif ilaç adaylarının belirlenmesine yardımcı olabilirler; özellikle sorun yalnızca belirli bir alt popülasyonu etkiliyorsa.

Kaynak: Nature.com

Başlangıçta, body-on-chip’lerin mevcut in‑vitro ve hayvan çalışmalara göre üstünlüklerini kanıtlamaları gerekecek.

Ancak nihai hedef, in‑vivo hasta klinik denemelerinin doğru bir şekilde tekrarlanması olacaktır.

Daha uzak bir gelecekte, hastanın kendi hücrelerini içeren body-on-chip’lerin çeşitli ilaçlara karşı reaksiyonu önceden tahmin etmek ve en iyi tedavi yöntemini belirlemek için kullanılabileceğini hayal edebiliriz.

3D Baskı, Body-On-Chip’lerin Üretimine Yardımcı Olmak İçin

Gerçek organlar, farklı hücre ve dokuların karmaşık bir karışımına sahip karmaşık 3D yapılar olup.

Tam bir body-on-chip’i oluşturan organ-on-chip’in gerçek bir organı gerçekçi bir şekilde simüle edebilmesi için, üretim sürecinin gerçek organ dokularının neredeyse tam bir kopyasını oluşturması gerekir. Ya da gelecekte belki tamamen olgun organlar bile.

Bu, sadece biyoyazdırma (bioprinting) adı verilen yeni bir teknoloji sayesinde mümkün olacaktır.

3d baskının temel ilkesini yeniden kullanır: bir nozul bilgisayar tarafından kontrol edilir ve istenen malzemeyi doğru yere, adım adım yerleştirir. Ancak plastik ya da metal yerine, yaşayan hücreler yerleştirilir.

Biyoyazdırma, organ ve body-on-chip teknolojisiyle paralel olarak evrimleşti; başlangıçta hücrelerle “yazdırma” teknolojik zorluğunu çözmeye odaklandı.

Şu anda, sektör hâlâ çoğunlukla basılan hücrelere yapı sağlamak için yapay iskelelere dayanıyor. Ancak, organik organlara daha benzer 3D‑baskılı organlar yaratmada ilerleme kaydedildi.

Bu nedenle, mevcut organ-on-chip çoğunlukla bir organın dokularını oluşturan çok katmanlı bir şablonu yeniden oluşturuyorsa, bunu gelişmiş biyoyazdırma yöntemleriyle birleştirmek daha gerçekçi simülasyonlar yaratabilir.

Daha fazla bilgi edinmek isterseniz, makalelerimizde biyoyazdırmayı derinlemesine inceledik: “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks” ve “New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue“.

Biyoyazdırma ve Body-On-Chip Şirketleri

1. BICO Group AB (BICO.ST)

2021’de Cellink, 2019’da Cytena laboratuvar otomasyon araçlarını ve 2020’de Scienion yüksek hassasiyetli mikro damla ölçüm araçlarını satın almasının ardından BICO Group olarak yeniden adlandırıldı.

Cellink hâlâ işin biyoyazdırma kısmı için marka adıdır.

Alanda tek başına olmasa da, Cellink açıkça çok gelişmiş bir biyoyazdırma ekipman üreticisidir ve biyoteknoloji ve biyomedikal araştırmacılarına tedarik etmeye odaklanmaktadır.

Uzun vadede, biyoyazdırma şirketlerinin araştırmacılara araç sağlamaktan, hastalar için ilaç şirketlerinin biyoyazdırma tedavilerini tedarik eden sağlayıcılara dönüşmesi muhtemeldir. Bu da, kullanılan biyoyazdırıcıların sayısını ve daha da önemlisi, her ay satılan sarf malzemelerinin hacmini tamamen değiştirecektir.

Bu, PacBio (PACB) ve Illumina (ILMN) gibi genom sekanslama makineleri üreten diğer biyolab ekipman üreticileri için de aynı süreçtir; bu şirketler gelirlerinin %80’ini tekrarlayan sarf malzemeleri satışlarından elde etmektedir.

2. Organovo

Organovo’nun özel teknolojisi, gerçek insan dokularının bileşen, yapı, fonksiyon ve hastalık gibi temel özelliklerini taklit etmek için 3D‑baskılı insan dokularını kullanır.

Bu, terapötik potansiyele sahip yeni moleküller bulmak için kullanıldı. Potansiyel moleküller önce 3D doku modelinde doğrulanarak, şirket klinik denemelerdeki başarısızlık riskini azaltmayı umuyor; çünkü insanlarda test yapılmadan önce daha gerçekçi bir in‑vitro hücresel model sağlanıyor.

Organovo’nun ürün hattı, İnflamatuar Bağırsak Hastalığı (IFD) ve karaciğer fibrozisine odaklanmıştır; bir program klinik denemenin 2/3 fazında, diğeri ise faz 1’de. Faz 2a POC sonuçları 2025’in ikinci yarısında beklenmektedir.

Kaynak: Organovo

2022’de ABD’de 2,1 milyon ve dünya genelinde 13 milyon ulceratif kolit vakası vardı; bu, 6,6 milyar dolar pazarını temsil ediyor. Ayrıca 2032’ye kadar %6 yıllık bileşik büyüme oranı (CAGR) ile büyümeye devam etmesi ve 12 milyar dolar pazarına ulaşması bekleniyor.

Organovo, polarize epitel ve interstisyel katmanlı bağırsak dokusunun gerçekçi bir simülasyonunu kullandığından, ilaçlarının bir hastada nasıl etki göstereceğine dair in‑vitro ortamda iyi bir temsile sahip olması muhtemeldir.

Kaynak: Organovo

Body-on-chip daha olgun bir teknoloji haline geldikçe, Organovo’nun 3D‑baskılı insan dokularını kullanma yaklaşımının ilaç geliştirmedeki erken potansiyel sorunları tahmin etme olasılığı daha da artacaktır.

Bu da, eski yöntemlere hâlâ güvenen rakiplerden daha verimli bir şekilde sermayesini kullanarak ilaç keşfini hızlandırmasına yardımcı olacaktır.