|
|
 |
Επί τσιπ εργαστήρια
|
|
|
|
|
|
|
Οι εμβιομηχανικοί έχουν ενθουσιωδώς διερευνήσει πολύ μικρούς μηχανισμούς μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η μετακίνηση μικροσκοπικών ή νανοσκοπικών ποσοτήτων ρευστού. Μικρορρευστομηχανικές διατάξεις ήδη χρησιμοποιούνται στους εκτυπωτές ψεκασμού μελάνης, και υπόσχονται πολλά για την αποτελεσματικότητα και την ταχύτητα ιατρικών αναλύσεων στις οποίες απαιτείται πολύ μικρός όγκος δείγματος για την εξαγωγή αποτελεσμάτων. Στις πιθανές εφαρμογές αυτών συμπεριλαμβάνονται διαγνωστικά «επί τσιπ εργαστήρια» για επιτόπιες χημικές αναλύσεις, ζωτικά όργανα προϊόντα μηχανικού σχεδιασμού και υλοποίησης, αλλά και συσκευές-«μίνι φαρμακεία» από τις οποίες θα εκκρίνονται in vivo φάρμακα όποτε τα τελευταία είναι αναγκαία. Σε ό,τι αφορά πάντως τα εμφυτεύματα, ένα από τα κύρια προβλήματά τους είναι η τροφοδότησή τους με ενέργεια. Τυπικά, η μικρομηχανική ρευστών βασίζεται στα μεγάλα εξωτερικά συστήματα παροχής ηλεκτρικής ισχύος προκειμένου να εξασφαλίζεται η λειτουργία ενεργοποι-ητών οι οποίοι προωθούν τα ρευστά διαμέσου μικροδιαύλων. Σήμερα, ωστόσο, ιάπωνες ερευνητές φέρνουν αλλαγές σε αυτή τη γενική ιδέα θέτοντας ως βάση των μικρορρευστομηχανικών διατάξεων έναν γνωστό κινητήρα παλαιού τύπου: μια ζωντανή, πάλλουσα καρδιά.
Η εν λόγω ομάδα ερευνητών μετασχημάτισαν καλλιεργούμενα κύτταρα από το μυοκάρδιο αρουραίου σε μια σφαιρική, παλλόμενη μικροαντλία διαμέτρου 5 χιλιοστομέτρων, η οποία δεν απαιτεί εξωτερική τροφοδότηση, καλωδίωση ή διεγέρσεις. Η απλή αυτή διάταξη αποτελείται από μια κοίλη, εύκαμπτη σφαίρα σιλικόνης, με δύο σωλήνες διαμέτρου 400 μικρομέτρων σε απέναντι θέσεις ―ουσιαστικά, από άποψη δομής μοιάζει με τη μονοθαλαμωτή καρδιά των γεωσκωλήκων. Τα ζωικά κύτταρα του μυοκαρδίου περιβάλλουν τη σφαίρα, και όταν πάλλονται σε συγχρονισμό προωθούν το υγρό διαμέσου των σωλήνων και της σφαίρας. Τα δε κύτταρα αντλούν ενέργεια από τις ουσίες του περιβάλλοντος θρεπτικού μέσου στο οποίο είναι εμβαπτισμένα.
«Στο μέλλον, αυτός ο τύπος μικροσυστήματος μπορεί να αποτελέσει τη βάση ιατρικών και βιολογικών εφαρμογών», λέει ο επί κεφαλής του ερευνητικού προγράμματος Takehiko Kitamori του Πανεπιστημίου τού Τόκιο. Ως παραδείγματα, επισημαίνει «εμφυτευμένα χημικά συστήματα, όπως συστήματα χορήγησης φαρμάκων, ή ένα περικάρπιο σύστημα ―ίσως ενσωματωμένο σε ένα ρολόι χειρός― για την καταγραφή και χορήγηση ινσουλίνης».
Με την κατασκευή της μικροαντλίας, ο Kitamori ασχολείται εδώ και μία τετραετία. Συνεργάστηκε με τον Teruo Okano, του Ιατρικού Πανεπιστημίου Γυναικών στο Τόκιο, ο οποίος ανέπτυξε στρώματα κυττάρων υπό τη μορφή φύλλων τα οποία έχουν την ικανότητα να προσδένονται στο κατεστραμμένο μυοκάρδιο μιας εξασθενημένης καρδιάς και να υποστηρίζουν τη λειτουργία της άντλησης. Βασικό επίτευγμα από πλευράς τεχνολογίας σε τούτη την έρευνα αποτελεί ο σχηματισμός της σφαίρας από κύτταρα αρουραίου: Αρχικά, τα κύτταρα καλλιεργούνται σε τρυβλία πολυστυρολίου επιστρωμένα με ένα θερμοευαίσθητο πολυμερές, το οποίο, όταν ψύχεται, επιτρέπει τη συλλογή των κυττάρων σε μια μονοστιβάδα. Κατόπιν, αυτό το κυτταρικό φύλλο, συνεχώς παλλόμενο, τοποθετείται επί μιας σφαίρας σιλικόνης που διαμορφώνεται πάνω σε μια μπάλα σακχάρων, η οποία διαλύεται με νερό άπαξ και η σιλικόνη στερεοποιηθεί. Η προσκόλληση των κυττάρων στη σιλικόνη ολοκληρώνεται περίπου σε 1 ώρα, αφού η ίδια η σιλικόνη έχει επιστρωθεί με ινωδονεκτίνη, μια κολλώδη γλυκοπρωτεΐνη η οποία μετέχει στην επισκευή των ιστών και στην πήξη του αίματος. Οι δύο τριχοειδείς σωλήνες προσαρτώνται στη σφαίρα με χρήση εποξειδικής κόλλας.
Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν επακριβώς γιατί τα κύτταρα του μυοκαρδίου εκτελούν συγχρονισμένους παλμούς άπαξ και ένα εξ αυτών αρχίσει να λειτουργεί έτσι· η εναρμονισμένη, πάντως, κίνησή τους συνεχιζόταν και όποτε εξέταζαν τη λειτουργία της αντλίας: επί 5 ημέρες, η ομάδα παρακολουθούσε την πορεία μετακίνησης σωματιδίων από πολυστυρόλιο μέσω της αντλίας, με τον αναμενόμενο ρυθμό ροής απλώς να μειώνεται ελάχιστα. Επειδή δε με την αντικατάσταση του μέσου καλλιέργειας εμφανίζονταν διακυμάνσεις στη συχνότητα των παλμών, για τις μελλοντικές εφαρμογές αυτής της αντλίας θα πρέπει να διασφαλίζεται αμετάβλητο εξωκυττάριο περιβάλλον.
Ο Kitamori επιθυμεί να καταστήσει τη μικροαντλία ισχυρότερη και πιο εκλεπτυσμένη ―να μοιάζει περισσότερο με την καρδιά των ψαριών―, με την προσθήκη κυτταρικών στιβάδων και βαλβίδων. Θα μπορούσαν επίσης να ενσωματωθούν πολλοί θάλαμοι με ανάπλαση της σφαίρας σιλικόνης. «Πρόκειται για τη μετατροπή χημικής ενέργειας σε μηχανική, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται δίχως ανάγκη ηλεκτρικής ισχύος», λέει ο Kitamori, ο οποίος επιδιώκει να κατασκευάσει ημιαγωγικά κυκλοφορικά συστήματα για την άμεση παρακολούθηση των καρδιακών και αγγειακών νοσημάτων.
Προβλέπει επίσης ότι στο μέλλον οι άνθρωποι θα φέρουν μέσα τους επί τσιπ εργαστήρια για δεκάδες λειτουργίες με τα οποία θα καταγράφεται και θα ελέγχεται η κατάσταση της υγείας τους. Όσο για τις αντλίες με τις οποίες θα λειτουργούν τα εν λόγω εργαστήρια, αυτές θα προκύπτουν από τα ίδια κύτταρα του μυοκαρδίου του ατόμου, αποτρέποντας έτσι το ενδεχόμενο της ανοσοαπόρριψης. Με άλλα λόγια, όσοι από εμάς στο μέλλον τύχουν φροντίδας από τούτη την πλευρά της εμβιομηχανικής δεν θα έχουν μία αλλά πολλές καρδιές. Εννοείται, βέβαια, ότι οι καρδιές-μινιατούρες δεν θα υποκαθιστούν λειτουργικά τη γνήσια καρδιά. «Στη ζωή μας, μία μόνο καρδιά μάς αρκεί και με το παραπάνω· το μυοκάρδιο είναι πολύ σκληραγωγημένο και ανθεκτικό», εκφράζει με γέλια ο Kitamori. «Γι’ αυτό, άλλωστε, και εφαρμόζουμε αυτό τον τραχύ ενεργοποιητή σε ένα σύστημα ελέγχου υγρών.»
|
|
|
|
|
|
