Rana Sümeyra Özcan - Yüksek Lisans Öğrencisi/ Moleküler İmmünoloji, Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
Bilindiği üzere ilaç geliştirme araştırmaları fazla zaman harcayan ve yüksek maliyetli çalışmalardır. Bu çalışmalarda iki boyutlu hücre kültürü her şeyin başlangıcı olduğu için en önemli ancak canlı vücudu ile gösterdiği benzerlik bakımından ne yazık ki en zayıf halkadır. Bu halkayı güçlendirmek için organizmaya benzerliği artırmayı ve yüksek otomasyonu hedefleyen yeni yaklaşımlar söz konusudur.[1] Geliştirilen yeni yaklaşımlar sayesinde hücreleri üç boyutlu olarak incelemeye, biyonanosensörler ile hücresel parametrelerin dinamiğini izlemeye, canlıyı en iyi şekilde taklit ederek bilimsel sonuçlar elde etmeye ve çok daha fazlasını keşfetmeye hazır mısınız? Öyleyse gelin Lab-on-a-chip teknolojisi ile tanışalım.
Lab-on-a-chip laboratuvar prosedürlerinin bir çip veya tek bir cihaza uyarlanması, minyatürleştirilmesi, entegrasyonu ve otomasyonudur (Şekil 1).[1,2] Bu teknolojisi sayesinde mikroakışkan çipler üzerinde minik laboratuvarlar inşa edilebilir. Bu laboratuvarlar içerisinde farklı hücre tipleri bir arada kullanılabilir ve bu hücreler tıpkı insan vücudunda olduğu gibi ekstraselüler matriks ağı ile birbirleriyle iletişim halinde ve 3 boyutlu olarak incelenebilir. Üstelik bu sistemler ile vücudumuzda kanın dolaşarak besinleri dokulara ulaştırdığı gibi, akan bir besiyeri içerisinde hücrelere besinleri ve onlara uyguladığımız reaktifleri ulaştırabilmek aynı zamanda hücresel atıkları uzaklaştırabilmek mümkündür. Böylece hücreler kendilerini evlerinde gibi hissederek çeşitli reaktanlara ve ilaç etken maddelerine canlı vücudundakine en yakın tepkiyi verirler. Bu şartlar altında hücresel tepki ve süreçleri incelemek bilim insanlarını çok daha doğru ve tutarlı sonuçlara ulaştırır.[1,3]
Lab-on-a-chip teknoloji ile elde edeceğimiz bir başka avantaj ise yüksek kararlılık ve otomasyon kapasitesidir. Çünkü çok küçük hacimler ile çalışan bu sistemlerin tekrarlanabilirliği kolay, işlem süreleri kısa ve kontaminasyon riski azdır. Üstelik hacimlerdeki küçülmenin azaltılmış reaktif tüketimi ve düşük maliyetle sonuçlanması bu teknolojiyi daha da cazip kılar.[1-3]
Mikroakışkan çipler canlı ile gösterdiği benzerlik ve otomasyon gücünün yanı sıra yüksek entegrasyon gücü ile de dikkat çekerler. Bu çiplere yerleştirilen biyosensörler ile sıcaklık, pH, ve oksijen seviyesi gibi temel hücresel parametreler gerçek zamanlı olarak kolaylıkla takip edilebilir. Bununla birlikte mevcut sistem geliştirilerek mikroakışkan çipler üzerinde kullanılabilecek yeni tasarımlar ile daha verimli tanı ve tedavi yöntemleri geliştirilebilir.[4,5] Örneğin, ağız kanseri tanısında kullanılmak üzere tasarlanan bir mikroakışkan çip kanserli epitel hücrelerin yüzeyinde anormal şekilde eksprese edilen proteini, anti-EpCAM antikoru ile kaplanmış manyetik boncuklar kullanarak numuneden ayırabilir (Şekil 2).[2] Ayrılan kanser hücreleri bir liziz aşamasına tabi tutulur ve hücrelerden mRNA izole edilir. Ters transkripsiyon polimeraz zincir reaksiyonu ve doğrusal amplifikasyon ile elde edilen DNA örnekleri inkübasyon bölmesine geçer. Daha sonra izole edilmiş kanser hücrelerinin transkripsiyon profili, veritabanında arşivlenen kanser imza profilleri ile karşılaştırılarak tanı konulur.[2]
Görüldüğü üzere tek bir çip ile birbirini takip eden pek çok deneysel metod gerçekleştirilerek hastalıklara tanı koymak mümkündür. Şu anda belki de iki boyutlu kültür sistemlerinde hücreleri yetiştirdiğimiz ortamlardan çıkarıp onlar üzerinde yaptığımız tüm deneyleri, bu minik çipler ile hücreler kendi yetiştirilme ortamlarında iken yapabileceğimiz bir zamana doğru ilerliyoruz. Bu ilerlemeye ayak uydurmak hatta ona yön vermek mikroakışkan çipler hakkındaki bilgi ve deneyimimizi artırmayı gerektirir. Sağlık bilimlerinin gelişmesi adına ülkemizde ve tüm dünyada mühendislerin mikroçip tasarım sürecine dahil olduğu, kimyagerlerin ilaç formülasyonlarını geliştirdiği ve biyologların mikroçipler içerisinde bu ilaçlarla muamele edilen hücrelerin dinamiğini incelediği, hücresel tepkileri yorumladığı ve en etkili ilaçlara karar kıldığı multidisipiner laboratuvarın kurulması sağlanabilir. Bize kazandıracağı yenilikler ve sağladığı tüm avantajlar ile lab-on-a-chip teknolojisinin sağlık bilimlerine yön verme potansiyeli heyecan vericidir.
Referanslar
Coluccio, M.L., Perozziello, G., Malara, N., Parrotta E., Zhang, P., Gentile, F. ve Limongi T. (2019). Microfluidic platforms for cell cultures and investigations. Microelectronic Engineering, 208, 14-28. https://doi.org/10.1016/j.mee.2019.01.004.
Pandya, D., Nagarajappa, A. K. ve Sreedevi, B. M. (2015). Lab–on–a– chip–Oral cancer diagnosis at your door step. J Int Oral Health, 7(11):122-128.
Tehranirokh, M., Kouzani, A. Z., Francis, P. S. ve Kanwar, J. R. (2013). Microfluidic devices for cell cultivation and proliferation. Biomicrofluidics, 7(5), 51502. https://doi.org/10.1063/1.4826935
Yeo, L. Y. Chang, H. C. Chan, P. P. ve Friend, J. R. (2011). Microfluidic devices for bioapplications. Small, 7, 12–48.
Wu, M. H., Huang, S. B., & Lee, G. B. (2010). Microfluidic cell culture systems for drug research. Lab on a chip, 10(8), 939–956. https://doi.org/10.1039/b921695b.