Το Brain-Chip (Emulate) είναι ένα μοντέλο τεχνολογίας organ-on-a-chip που αποτελείται από δύο κανάλια επενδυμένα με ανθρώπινα κύτταρα δέρματος και αίματος και ενσωματωμένα σε εύκαμπτο πολυμερές από καουτσούκ, όπου το ένα κανάλι αντιπροσωπεύει τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων και το άλλο τον εγκέφαλο, και στη μέση του τσιπ, τα δύο κανάλια συναντώνται επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετούν τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό. Το αποκαλούμενο Human Brain-Chip της spinoff biotech εταιρείας Emulate, του Πανεπιστημίου Harvard, που φέρει την υπογραφή ενός Έλληνα ερευνητή του Χάρβαρντ από το Ηράκλειο της Κρήτης, του Ιωσήφ Πεδιαδιτάκη επελέγη 4o στη λίστα με τις δέκα σημαντικές επιστημονικές καινοτομίες για το 2021 από το περιοδικό «The Scientist».
Ο Δρ. Πεδιαδιτάκης ήταν Αναπληρωτής Διευθυντής Ερευνών στη spinoff του Χάρβαρντ, όταν καθοδήγησε την ομάδα νευροεπιστήμης στην ανάπτυξη τσιπ μοντέλων ιστών επόμενης γενιάς για νευροφλεγμονή και Πάρκινσον. Χρησιμοποίησε επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα για να ενσωματώσει κύτταρα αιμοφόρων αγγείων, νευρώνες, αστροκύτταρα και μικρογλοία σε διαχεόμενα μικρο-μηχανικά τρισδιάστατα περιβάλλοντα προκειμένου να μοντελοποιήσει τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου και τη φυσιολογία του αιματοεγκεφαλικού φραγμού και να ταυτοποιήσει νέους βιοδείκτες νευροεκφυλιστικών ασθενειών.
Όπως αναφέρεται στο σαιτ της εταιρείας, τα συμβατικά μοντέλα κυττάρων αποτυγχάνουν να προσομοιώσουν την απαιτούμενη πολυπλοκότητα για έρευνα, ενώ τα ζωικά μοντέλα συχνά αποτυγχάνουν να ανταποκριθούν λόγω της διαφορετικότητας των ειδών. Το Emulate Brain-Chip είναι το πιο ολοκληρωμένο in vitro μοντέλο της ανθρώπινης νευροαγγειακής μονάδας για προκλινική έρευνα, με πέντε τύπους κυττάρων σε ένα δυναμικό και συντονισμένο μικροπεριβάλλον. Το Brain-Chip μπορεί να εφαρμοστεί για τη διερεύνηση μηχανισμών νευροφλεγμονωδων νόσων και για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας διείσδυσης του αιματοεγκεφαλικού φραγμού από υποψήφια φάρμακα.
Το Brain-Chip ξεπερνά τους περιορισμούς άλλων μεθόδων μελέτης του εγκεφάλου, παρέχοντας ένα πολύ πιο σχετικό φυσιολογικά μοντέλο. Σε αντίθεση με άλλα μοντέλα in vitro, όπως οργανοειδή και συμβατικές κυτταροκαλλιέργειες, αυτό το μοντέλο «Brain-on-a-Chip» επιδεικνύει μορφολογικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του φλοιού του εγκεφάλου, ενσωματώνοντας τόσο τα νευρωνικά κύτταρα όσο και τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό σε ένα μόνο μοντέλο.
Το Brain-Chip με ζωντανά ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα κυκλοφόρησε για πρώτη φορά τον Δεκέμβριο του 2020 και έχει σχεδιαστεί για ερευνητές και προγραμματιστές φαρμάκων που ερευνούν τις νευροφλεγμονώδεις νόσους και επιθυμούν να αξιολογήσουν την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα θεραπειών υπό ανάπτυξη για νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ και η Πάρκινσον.
Το Brain-Chip είναι ένα μόνο από τα προιόντα της spin-off, η οποία επεκτείνεται και σε άλλα όργανα πέραν του εγκεφάλου, όπως το έντερο, τα νεφρά ή το συκώτι. Για παράδειγμα, oι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει ένα τσιπ εντέρου που μπορεί να υποστηρίξει ένα «σύνθετο ζωντανό μικροβίωμα που αποτελείται από εκατοντάδες διαφορετικούς τύπους βακτηρίων». Το Colon Intestine-Chip είναι το μόνο μοντέλο που ενσωματώνει κύτταρα που προέρχονται από βιοψία και ενδοθηλιακά κύτταρα του παχέος εντέρου με μηχανικές δυνάμεις για μίμηση in vivo φυσιολογίας. Μέσω του ελέγχου των πειραματικών παραμέτρων και της ευκολίας πολλαπλών μετρήσεων, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ασφάλεια φαρμάκων, για την αξιολόγηση βιοχημικών, γενετικών και κυτταρικών αποκρίσεων σε αυτά, για μελέτες φυσιολογίας και λειτουργίας και για μοντελοποίηση ασθενειών.
Την ίδια ώρα ερευνητές της εταιρείας αναπτύσσουν και δύο ξεχωριστά μοντέλα του ανθρώπινου πνεύμονα, το Alveolus Lung-Chip και το Airway Lung-Chip (για πνευμονικό οίδημα και πνευμονική θρόμβωση) για να καταγράψουν την αρχιτεκτονική και τη λειτουργία διαφορετικών πνευμονικών ιστών. Και τα δύο μοντέλα θα επιτρέψουν στους ερευνητές να διερευνήσουν την παθοφυσιολογία των ιστών και να αξιολογήσουν την επίδραση φαρμάκων σε αυτούς κατά την προκλινική φάση. Μια δοκιμή Φάσης 2 βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη σχετικά με την τεχνολογία.
Στην ίδια λογική και τα Quad-culture Emulate Liver-Chip και Emulate Kidney-Chip που συνδυάζουν αρκετούς τύπους ανθρώπινων κυττάρων σε ένα δυναμικό μικροπεριβάλλον για να αξιολογήσουν την τοξικότητα ουσιών στο συκώτι και τα νεφρά, να ταυτοποιήσουν βιοδείκτες και να προσδιορίσουν μηχανισμούς δράσης τους . Οι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει και ένα τσιπ μυελού των οστών.
Η Emulate σηματοδοτεί μια νέα εποχή στην έρευνα για την ανθρώπινη υγεία με την κορυφαία στον κλάδο τεχνολογία Organ-on-a-Chip. Ουσιαστικά κάθε Organ-Chip είναι ένα διαφανές, ευέλικτο μικροπεριβάλλον που περιέχει δύο παράλληλους θαλάμους που μπορούν να διαμορφωθούν ώστε να αναπτύσσουν ανθρώπινα κύτταρα από ένα όργανο ενδιαφέροντος, ανοίγοντας ένα παράθυρο στις ανθρώπινες βιολογικές λειτουργίες και στις ασθένειες και προβλέποντας την ανθρώπινη απόκριση σε φαρμακευτικές ουσίες με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Πρωτοπόρος στο Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και με την υποστήριξη της Northpond Ventures, Founders Fund και Perceptive Advisors, η Emulate εξελίσσεται στον κορυφαίο πάροχο βιολογικών μοντέλων in vitro επόμενης γενιάς, λύνοντας τα χέρια των ερευνητών στον παγκόσμιο ακαδημαϊκό χώρο, στη φαρμακευτική βιομηχανία και σε κυβερνητικούς οργανισμούς (π.χ.FDA) και αλλάζοντας κυριολεκτικά τους κανόνες του παιχνιδιού στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας ουσιών και στην ασφάλεια των φαρμάκων.
Picture credits:Emulate
