Silikona jūrascūciņa

No pirmā acu uzmetiena Maikla Šulera mikroshēma varētu būt piemērota jebkurai nelielai silīcija plāksnei, kas izvilkta no datora vai mobilā tālruņa. Tāpēc tas šķiet vēl nevietā uz galda Kornela universitātes pētnieku laboratorijā, ko ieskauj Petri trauciņi, vārglāzes un citi bioloģiski netīrumi un kas ir uzstādīti plastmasas paplātē kā sadalīta pele. Šķiet, ka mikroshēma atrodas uz sava veida dzīvības atbalsta, un tajā caur caurulēm tiek iesūknēts rozā šķidrums. Šūlers ar zīmuli metodiski norāda uz mikroshēmas komponentiem: lūk, aknas, te ir beigušās plaušas, te ir tauki. Pēc tam viņš injicē eksperimentālu narkotiku imitētajās asinīs, kas plūst caur šiem orgāniem un audiem - patiesībā mazos, vīšanas cauruļu un kameru labirintos, kas izklāti ar dzīvām šūnām. Savienojums reaģēs ar citām ķīmiskām vielām, uzkrājas dažos orgānos un ātri iziet cauri citiem. Pēc vairākām stundām Šulers un viņa komanda būs tuvāk atbildei uz galveno jautājumu: vai savienojums, ja tas tiek dots reālam cilvēkam, var nodarīt vairāk ļauna nekā laba?

Šis tā sauktais dzīvnieks mikroshēmā tika izstrādāts, lai palīdzētu pārvarēt milzīgu šķērsli jaunu zāļu atklāšanai: pašlaik nav ātra un uzticama veida, kā paredzēt, vai eksperimentālajam savienojumam būs toksiskas blakusparādības — ja tas cilvēkus saslims, nevis saslims. viņiem labi. Pārbaudes ar dzīvniekiem ir labākais, ko zāļu ražotāji var darīt, taču tā ir lēna, dārga, bieži vien neprecīza un daudziem ir nepatīkama. Lai samazinātu izmēģinājumu skaitu ar dzīvniekiem, zāļu uzņēmumi regulāri pārbauda zāļu kandidātus, izmantojot šūnu kultūras, kas būtībā ir dzīvu cilvēku vai dzīvnieku šūnu kopas, kas aug Petri trauciņos vai mēģenēs. Šī pieeja ir salīdzinoši lēta un vienkārša, taču tā sniedz tikai miglainu prognozi par to, kas notiks ar savienojumu apļveida ceļojumā pa dzīvnieka audiem un orgāniem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2004. gada jūnija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Šulers ir viens no dažiem pētniekiem, kuri izstrādā sarežģītākas šūnu kultūras, kas imitē ķermeņa sarežģītos orgānus un audus. Piemēram, MIT audu inženiere Linda Grifita ir izveidojusi mikroshēmu, kas atdarina dažas aknu funkcijas, savukārt Mičiganas universitātes biomedicīnas inženieris Šuiči Takajama ir izveidojis mikroshēmu, kas imitē asinsvadu sistēmas uzvedību. (skatiet tālāk sadaļu Citi pasākumi, kas saistīti ar dzīvnieku izmantošanu mikroshēmā). Bet, lai gan šādi centieni ir radījuši pārliecinošus analogus cilvēku vai dzīvnieku ķermeņa daļām, Šulers ir gājis soli tālāk. Strādājot ar kolēģi Gregu Baksteru, kurš uzsāka Beverlihilsā, Kalifornijā bāzētā Hurel, lai komercializētu tehnoloģiju, Shuler ir apvienojis vairāku dzīvnieku orgānu kopijas vienā mikroshēmā, radot aptuvenu stāvokli visam zīdītājam. Citas Šulera mikroshēmu versijas mēģina iet vēl tālāk, izmantojot cilvēka šūnas, lai precīzāk reproducētu savienojuma ietekmi organismā.

Zāļu uzņēmumi ir ieinteresēti, un tas nav brīnums: viņi regulāri ražo tūkstošiem, pat desmitiem tūkstošu savienojumu, cerot atrast tādu, kas ir efektīvs pret konkrētu mērķi. Tādas mikroshēmas kā Shuler un Baxter’s varētu nozīmēt lētu, ātru un precīzu veidu, kā atsijāt savienojumus, kas galu galā izrādīsies toksiski, ietaupot uzņēmumiem gadiem un miljoniem dolāru nevērtīgu zāļu izstrādei. Saskaņā ar neseno pētījumu, ko veica Tufta Universitātes Zāļu attīstības pētījumu centrs, par katru narkotiku, kas nonāk tirgū, zāļu rūpniecība iztērē vidēji 467 miljonus ASV dolāru cilvēku pārbaudēm — lielākā daļa naudas tiek novirzīta zālēm, kas nedarbojas, vai nu tāpēc, ka. tie nav efektīvi vai tāpēc, ka izrādās toksiski. Ja vairāk kļūdu varētu konstatēt pirms izmēģinājumu ar dzīvniekiem sākšanas, uzņēmumi varētu vairāk laika un naudas veltīt uzvarētājiem. Ikviens šajā nozarē cer iegūt surogātus dzīvniekiem un cilvēkiem, kad runa ir par savienojumu testēšanu, saka Džeks Reinolds, pasaules lielākās farmācijas kompānijas Pfizer drošības zinātņu vadītājs. Šī ir tāda tehnoloģija, kādu mēs vēlētos savā rīku komplektā.

CITI DZĪVNIEKU PIEPŪLES
Projekta vadītājs	Grupa	Tehnoloģija
Dawn Applegate	RegeneMed (Sandjego, Kalifornija)	Ar cilvēka aknu audiem izklātas mikroshēmas zāļu skrīningam
Linda Grifita	AR (Kembridža, MA)	Aknas uz mikroshēmas narkotiku skrīningam
Pols Kosniks	Audu ģenēze (Honolulu, HI)	Mikroshēmas ar asinsvadu un saišu šūnām audu nomaiņas attīstībai
Šuiči Takajama	Mičiganas Universitāte (Anna Arbora, MI)	Šūnu kultūras mikroshēmas ar kanāliem, kas atdarina asinsvadu sistēmu
Viljams Vans	Pharmacom (Aiovasitija, IA)	Zāļu skrīninga mikroshēmas, kas ietvers smadzeņu un citu orgānu šūnas

Indes tabletes

Zāļu izstrādātāju rīku komplekti jau ir aprīkoti ar daudziem vienkāršiem šūnu kultūras testiem, kuru mērķis ir ātri paredzēt, kurām iespējamām zālēm būs toksiskas blakusparādības. Problēma ar šiem testiem ir tā, ka tie ir bieži arī vienkārši. Tipisks scenārijs: pētnieki izsmidzina šķīdumu, kas satur eksperimentālu medikamentu, Petri trauciņos, kur dzīvās šūnas, kas iegūtas no žurkas plaušām, peld ar barības vielām bagātā buljonā. Ja šūnas mirst, pētnieki novieto savienojumu un izmēģina citu; ja šūnas izdzīvo, tās sāk ilgstošu un dārgu savienojuma testēšanas procesu ar pelēm, žurkām un citiem dzīvniekiem. Taču savienojuma nespēja iznīcināt plaušu šūnas sniedz nelielu garantiju, ka tas nesaslims cilvēkus.

Kad cilvēks lieto zāles, to aktīvā viela dodas savvaļā, lai nokļūtu mērķa šūnās: tās var uzsūkties zarnās, tās var noārdīt aknās esošajos enzīmos, nedēļām ilgi krāties tauku šūnās, izsijāt smadzenēs. membrānu, un visu pārbaudījumu atkal un atkal virpuļoja cauri asinīm. Kad tas notiek, citādi nekaitīgs savienojums var uzkrāties noteiktā orgānā, līdz tas sasniedz toksisku līmeni. Vai arī to var pārveidot par citu savienojumu, kas pats par sevi ir toksisks. Pfizer Reynolds lēš, ka aptuveni 40 procenti no narkotiku kandidātiem, kas izrādās nedroši, iegūst toksiskumu pēc tam, kad organismā tiek pārveidoti par citiem savienojumiem.

Viens no iemesliem, kāpēc tradicionālie šūnu kultūras testi bieži maldina pētniekus, ir tas, ka tajos nav sastopams sarežģīts fermentu un citu ķīmisko vielu sastāvs, ar kuru zāles var saskarties un reaģēt dažādos ķermeņa audos. Un vienkāršas šūnu kultūras neatklāj, cik daudz zāļu faktiski nonāk dažāda veida šūnās, kādā formā un cik ilgi. Patiešām, gandrīz puse zāļu, kas šķiet drošas šūnu kultūras testos, ir toksiskas testos ar dzīvniekiem; un vēl vairāk neizdodas, saskaroties ar cilvēka sarežģītajiem audiem un orgāniem. Pētnieki tomēr cer, ka šūnu kultūras, kas labāk simulē ķermeņa apstākļus, veiks daudz labāku darbu toksisko zāļu noteikšanā, samazinot paļaušanos uz izmēģinājumiem ar dzīvniekiem un cilvēkiem. Nozares svētais grāls ir spēja paredzēt toksicitāti no šūnu kultūras, saka Pīters Lords, Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development preklīniskās izstrādes mehānistiskās toksikoloģijas vadītājs.

Maza santehnika

Maikls Šulers ir 57 gadus vecs, slaids ķīmijas inženierijas profesors, kurš kopš pamatskolas vecuma ir radījis blakus interesi par bioloģiskajiem procesiem. Līdz 1989. gadam viņš bija sācis interesēties par toksicitātes testēšanu, un viņš bija domājis par parasto šūnu kultūru neuzticamību, kad viņam ienāca prātā doma: vai jūs varētu izveidot šūnu kultūru, kas atkārto ceļojumu caur dažādiem orgāniem? Viņš to atzina par ķīmiskās inženierijas problēmu: stikla kameras, kas izklātas ar dažāda veida šūnām un caur caurulēm savienotas viena ar otru un ar sūkni, kas caur tām sūtīja šķidrumu, daudz reālāk imitētu ķermeni, un testi, kuros tās izmanto, varētu paredzēt, kas notiks. dzīvos dzīvniekos daudz precīzāk.

Pēc vairākiem mēnešiem Šulers un studenti bija izveidojuši šūnu un santehnikas konglomerātu, nodrošinot neapstrādātu zīdītāju orgānu kopuma darba modeli. Tas it kā darbojās, bet Šūlers zināja, ka ir liela problēma ar tā precizitāti: gandrīz visa ķermeņa ķīmija notiek audos, kas pildīti ar sīkiem kanāliem un kamerām, kur kritiskās reakcijas ir atkarīgas no dažādu ķīmisko vielu spējas koncentrēties dažos. vietās un izkliedējas citās, daļēji atkarībā no mikroskopiskās ģeogrāfijas. Visu sajaucot lielās vārglāzēs, tas izkropļotu šo trauslo līdzsvaru. Turklāt šāda izmēra sistēma nebūtu pietiekami praktiska vai lēta liela mēroga testēšanai.

Tikmēr molekulārais biologs Gregs Baksters tikko bija pievienojies Kornela nanobiotehnoloģiju centram kā pētnieks. Viņa specialitāte bija mikrofluidika — būtībā mikroskopiska santehnika uz mikroshēmas. Otrajā dienā viņš savā laboratorijā iespieda Šuleru pogcaurumā, domādams, vai viņam ir kādi projekti, kas varētu gūt labumu no ultraminiaturizācijas. Smieklīgi, ka jums vajadzētu jautāt, sacīja Šūlers.

Bija nepieciešamas tikai divas sanāksmes, lai izstrādātu mikroshēmas pamata dizainu, un gads, lai izveidotu pirmo prototipu. Lai izveidotu vienu no ierīcēm, pētnieki sīktēla izmēra silīcija mikroshēmā izgriež nelielas tranšejas, kas izskatās pēc vājām skrāpējumiem; šīs tranšejas kalpo kā šķidrumu pārvadājošas caurules. Mikrofluidisko īpašību iegūšana uz mikroshēmām ķīmisko reakciju testēšanai un bioloģisko procesu imitācijai nav nekas jauns. Taču, apvienojot savas prasmes ķīmiskajā inženierijā un mikroražošanā, Šulers un Baksters pievieno ievērojamu pavērsienu: viņi ir izstrādājuši visu tranšeju izmērus, garumus un izkārtojumus, cenšoties cieši dublēt šķidruma plūsmas un ķīmisko iedarbību, ar ko šūnas saskaras. īsti orgāni.

Tranšejas darbojas kā surogātvadi, nesot ķimikālijas mikroshēmas ersatz orgānos un starp tiem, kas paši sastāv no tranšejām, kas ir cieši spirālveida vai izveidojušās blīvos trombos, kuru platums ir aptuveni puscentimetrs. Tūkstošiem dzīvo šūnu ir piestiprinātas katra orgāna tranšeju grīdā. Ķieģeļa izmēra ārējais sūknis caur mikroshēmu cirkulē ar barības vielām bagātu šķidrumu, kas nodrošina asins plūsmu. Kad šķidrumam tiek pievienots testējamais savienojums, tā silīcija ceļojums ir aptuveni līdzīgs tam, ko tas izietu dzīvā zīdītājā, pateicoties 13 gadus ilgam mocīšanās ar katra orgāna izmēru, modeli un starpsavienojumiem, kā arī ar orgānu izmēriem un formām. dažādas tranšejas. Mēs vēlējāmies, lai šūnu vide būtu pēc iespējas reālistiskāka, sākot no barības vielu piegādes un atkritumu produktu izvadīšanas līdz mehāniskai slodzei, ko tā piedzīvo, saka Šulers.

Pēc tam, kad testējamais savienojums ir cirkulējis caur mikroshēmu vairākas stundas, mikroshēmā esošās šūnas tiek uzraudzītas vai nu ar mikroskopu, vai ar iegultiem sensoriem, kas var pārbaudīt skābekli un citus indikatorus. Vai šūnas absorbē savienojumu? Vai tas viņus slimo vai nogalina? Tāpat kā dzīvniekam, katrs orgāns vai audi mikroshēmā spēlē noteiktu lomu. Piemēram, aknas un zarnas sadala dažus savienojumus mazākās molekulās, savukārt tauki, kas ir saspiesti ne tikai ar šūnām, bet arī ar sūkļveida želeju, bieži saglabā savienojumus, ļaujot tiem vēlāk izplūst. Parasti tiek iekļauts mērķa orgāns vai audi, lai parādītu savienojuma galīgo iedarbību; tas var būt vēža audzējs vai īpaši neaizsargāti audi, piemēram, plaušu vai kaulu smadzenes.

Mikroshēmas, protams, būs rūpīgi jāpārbauda, ​​pirms zāļu firmas tās plaši izmantos. Tomēr agrīnās pazīmes ir iepriecinošas. Šulers veica vienu eksperimentu ar naftalīnu, savienojumu, ko izmanto naftalīna un pesticīdos. Pārmērīga iedarbība izraisa plaušu bojājumus, taču jūs to nezinātu, veicot standarta šūnu kultūras testus. Tas ir tāpēc, ka vaininieks nav pats naftalīns, bet gan divas ķīmiskas vielas, ko ražo aknas, sadalot naftalīnu. Ja jūs to zinātu un izšļakstītu šos blakusproduktus tieši uz plaušu šūnām kultūrā, jūs novērotu tik smagu reakciju, ka jūs secinātu, ka pat neliela naftalīna iedarbība ir ārkārtīgi bīstama. Bet arī tas ir nepareizi; Kā izrādās, tauku šūnas izrauj no sistēmas lielu daļu toksisko savienojumu. Šulera mikroshēma pārliecinoši atdarina šo notikumu ķēdi, sniedzot reālistisku bojājumu mērījumu.

Šāda precīza simulācija sola palīdzēt zāļu kompānijām uzlabot zāļu kandidātu pārbaudi un tērēt mazāk laika un naudas tiem, kas galu galā neizdosies izmēģinājumos ar dzīvniekiem. Pēc Bakstera teiktā, mikroshēmas ir gatavas šādai lietojumprogrammai šobrīd, un seši lieli uzņēmumi pašlaik runā ar Hurel par šīs tehnoloģijas pārņemšanu. Shuler, kam palīdz studentu un līdzstrādnieku komanda Kornelā un citur, strādā pie tālākas tehnoloģijas samazināšanas un automatizācijas. Mērķis: papīra loksnes izmēra 96 ​​mikroshēmu banka, kas tiek pievienota robotizētai laboratorijas iekārtai, kas ļoti ātri pievieno testa zāles un uzrauga rezultātus. Sistēma varētu ne tikai aizstāt parastās šūnu kultūras, bet arī samazināt paļaušanos uz eksperimentiem ar dzīvniekiem, kuros pētniekiem ir jāizmanto liels skaits dzīvnieku, lai pārbaudītu dažādas zāļu devas, un laika gaitā jāuzrauga šie dzīvnieki, lai uztvertu smalkas blakusparādības. Mēs runājam par testa veikšanu vienas vai divu dienu laikā, kas ar dzīvniekiem aizņems mēnešus, saka Šulers. Šulers prognozē, ka vienas mikroshēmas ražošanas cena kopā ar šūnām ir aptuveni 50 USD, salīdzinot ar simtiem vai pat tūkstošiem dolāru, kas nepieciešami viena laboratorijas dzīvnieka iegādei un uzturēšanai.

Cilvēka veids

Mikroshēmas, kas atkārto dzīvnieku darbību, visticamāk, būs pirmās tehnoloģijas versijas, kas radīs komerciālu ietekmi. Taču cerams, ka tad, kad tie izrādīsies precīzi paredzējuši izmēģinājumu ar dzīvniekiem rezultātus, cilvēka mikroshēmas versijas sniegs labu norādi par to, cik toksiskas zāles varētu izrādīties izmēģinājumos ar cilvēkiem.

Izmēģinājumiem ar dzīvniekiem šī loma tagad ir, bet ne pārāk labi. Četras no piecām zālēm, kas tiek izmantotas izmēģinājumos ar dzīvniekiem, klīniskajos pētījumos ar cilvēkiem ir neveiksmīgas, parasti drošības apsvērumu dēļ. Daļa no problēmas ir tā, ka peles nevar pateikt, ka tām ir galvassāpes, neskaidra redze vai vēdera krampji. Bet lielākā problēma ir vienkārši tā, ka dzīvnieku orgāni un tajos notiekošie procesi nav identiski cilvēku orgāniem. Neviens nezina, cik daudz zāļu, kas būtu bijušas drošas cilvēkiem, tika noliktas plauktos, jo tās saslimis dažus dzīvniekus. (Piemēram, penicilīns ir toksisks jūrascūciņām, bet par laimi tas tika pārbaudīts arī uz pelēm.)

Mikroshēmas, kas satur simulētus cilvēka audus un orgānus, varētu arī ļaut pētniekiem izstrādāt sarežģītas vairāku zāļu shēmas dažādu slimību ārstēšanai, nepakļaujot pacientus mokošām izmēģinājumu un kļūdu kārtām. Piemēram, Šulers ir nulle par pretvēža kokteiļiem. Viņš savās mikroshēmās iekļauj cilvēka šūnas no dzemdes vai resnās zarnas audzējiem, izveidojot reālistiskāku konkrēta veida vēža modeli. Pēc tam viņš var pārbaudīt dažādu ķīmijterapijas zāļu kombināciju spēju nogalināt šūnas, nesabojājot pārējo sistēmu. Lai atrastu labu kombinēto terapiju, jums ir jāveic daudz testu, lai noteiktu pareizās devas un zāļu ievadīšanas secību, viņš skaidro. Tā ir problēma, ar kuru mēs varam saskarties ar šo tehnoloģiju.

Ne Baksters, ne Šulers neapgalvo, ka dzīvnieks uz mikroshēmas ir kaut kāda panaceja sarežģītajam un dziļi izaicinošajam zāļu izstrādes procesam. Pirmkārt, mikroshēmām joprojām ir jāpierāda liela mēroga testos, ka tās patiešām veic labāku darbu nekā parastās šūnu kultūras, lai prognozētu toksicitāti. Bet, ja to apjoms ir lielāks, tabletes, ko lietojat pēc desmit gadiem, var tikt piegādātas, pateicoties silīcija laboratorijas žurkas upuriem.

paslēpties