दवा उपचारों के साथ मानव जीवन की गुणवत्ता में सुधार करना एक जटिल मुद्दा है। दवा प्रमाणन, जिसमें दवा सुरक्षा और विश्वसनीयता शामिल है, के लिए परीक्षणों की एक लंबी श्रृंखला और सरकारी अनुमोदन की आवश्यकता होती है, इससे पहले कि दवा किसी के उपयोग के लिए उपलब्ध हो।

दवाओं के परीक्षण को नैतिक और जैविक चिंताओं से चुनौती मिलती है। मनुष्यों पर नई दवाओं का परीक्षण आम तौर पर नैदानिक ​​परीक्षण का हिस्सा होता है और यह दवा के सार्वजनिक उपयोग के मार्ग के अंत के करीब होता है। उस बिंदु से पहले, जानवरों पर बड़ी मात्रा में परीक्षण किए गए हैं। जानवरों पर परीक्षण को चरणबद्ध तरीके से समाप्त करने की मांग बढ़ रही है, आंशिक रूप से पशु और मानव जीव विज्ञान में अंतर के कारण। सीधे शब्दों में कहें तो, सिर्फ इसलिए कि कोई चीज चूहों के लिए काम करती है, इसका मतलब यह नहीं है कि यह मनुष्य के लिए भी काम करेगी।

विभिन्न संस्थानों के अकादमिक शोधकर्ताओं के एक समूह ने वर्जीनिया टेक के जेफ शुल्ट्ज़ के साथ मिलकर एक ऐसा समाधान खोजने की कोशिश की है जो सिंथेटिक उपकरणों से मानव-उन्मुख परिणाम दे सके। उनके दृष्टिकोण के लिए किसी मानव विषय या जानवर की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, यह परीक्षण वातावरण बनाने के लिए नई तकनीकों का उपयोग करता है जो अत्यधिक अनुकूलन योग्य हैं। दवाओं का परीक्षण कोशिकाओं से किया जा सकता है, जीवों से नहीं।

राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (एनआईएच) से 1.8 मिलियन डॉलर के अनुदान द्वारा वित्त पोषित इस टीम में शामिल हैं:

• अमरिंदर नैन, वर्जीनिया टेक में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर
• राफेल डेवलोस, मार्गरेट पी. और जॉन एच. वेटनॉयर जूनियर, जॉर्जिया टेक में अध्यक्ष प्रोफेसर
• सीमंतिनी नादकर्णी, एसोसिएट प्रोफेसर, हार्वर्ड मेडिकल स्कूल और मैसाचुसेट्स जनरल हॉस्पिटल
• जेफ शुल्ट्ज़, 3डी-प्रिंटेड माइक्रोफ्लुइडिक्स कंपनी फेज़ इंक के सह-संस्थापक, जिन्होंने वर्जीनिया टेक डिपार्टमेंट ऑफ़ मैटेरियल साइंस एंड इंजीनियरिंग से तीन डिग्री भी हासिल की हैं

मस्तिष्क में सेंध लगाना

शरीर में शारीरिक अवरोध आम बात है, और ऐसा ही एक अवरोध, जिसे रक्त-मस्तिष्क अवरोध कहा जाता है, रक्त वाहिकाओं और ऊतकों के एक नेटवर्क से बना होता है। इसका कार्य पानी और ऑक्सीजन जैसे सहायक पदार्थों को मस्तिष्क में प्रवेश करने देना है, लेकिन हानिकारक पदार्थों को बाहर रखना है जो बीमारी या ट्यूमर का कारण बन सकते हैं। दवा परीक्षण के लिए इस जटिल वातावरण को फिर से बनाना चुनौतीपूर्ण रहा है, और प्रयोगशाला से बाहर जाने पर नैदानिक ​​परीक्षणों का विफल होना असामान्य नहीं है।

चिकित्सीय परीक्षण में दवाएँ विफल हो जाती हैं क्योंकि वे रक्त-मस्तिष्क अवरोध को पार नहीं कर पाती हैं। वास्तविकता यह है कि प्रयोगशाला में बनाए गए उपकरण काम नहीं करते हैं और वे बहुत अधिक मात्रा में गुजरने देते हैं। इससे गलत जानकारी मिलती है कि अणु गुजर सकते हैं, और जब आप नैदानिक ​​परीक्षण में जाते हैं, तो दवाएँ विफल हो जाती हैं क्योंकि मानव मस्तिष्क की स्थितियों को ठीक से दोहराया नहीं गया है।”

राफेल डेवलोस, जॉर्जिया टेक

टीम फेज़ की मालिकाना 3डी-प्रिंटिंग विधि के साथ समस्या का समाधान कर रही है, जो पहले अप्राप्य रिज़ॉल्यूशन पर माइक्रोफ़्लुइडिक्स बनाती है जो अत्यधिक पुनरुत्पादनीय और स्केलेबल भी है। माइक्रोफ़्लुइडिक्स उल्लेखनीय रूप से छोटे उपकरण हैं जहाँ कोशिकाओं और तरल पदार्थों को “चिप पर अंग” बनाने के लिए हेरफेर किया जा सकता है जो मानव अंगों के व्यवहार और कार्य की नकल करता है। जबकि यह परियोजना रक्त-मस्तिष्क अवरोध पर केंद्रित है, मुख्य तकनीक में यकृत, फेफड़े और त्वचा जैसे अन्य अंगों के लिए व्यापक अनुप्रयोग हैं।

शुल्ट्ज़ ने अपना करियर स्टार्टअप कंपनियों और अंतरराष्ट्रीय समूहों दोनों के लिए 3डी-प्रिंटिंग तकनीकों का आविष्कार और विस्तार करने में बिताया है। उस अनुभव की ताकत पर निर्माण करते हुए, उन्होंने अपना ध्यान बायोमेडिकल दुनिया में 3डी प्रिंटिंग की लचीलेपन को लागू करने पर केंद्रित किया।

शुल्ट्ज़ ने कहा, “हम कुछ ऐसा बना रहे हैं जो अन्य माइक्रोफ़्लुइडिक्स की तुलना में शरीर की ज्यामिति की अधिक यथार्थवादी नकल करता है।” “3D प्रिंटिंग की डिज़ाइन स्वतंत्रता का उपयोग करके हम ऐसे उपकरण बना सकते हैं जिनकी वक्रता, नसों का आकार और कार्यक्षमता मानव शरीर के समान हो। हम हृदय के समान वाल्व लगा सकते हैं जो स्पंदित यांत्रिक तनावों के आदी हैं। इससे हमें ऐसे परिणाम देखने का अवसर मिलता है जो वास्तविक जीवन के अधिक करीब होते हैं, न कि यदि कोशिकाएं एक डिश में सपाट रखी जाती हैं, और यह अन्य पारंपरिक माइक्रोफ़्लुइडिक उपकरणों में किया जाता है, लेकिन इसे अभी तक रक्त मस्तिष्क अवरोध पर लागू नहीं किया गया है।”

सिंथेटिक उपकरण और जीवित कोशिकाएँ

शुल्ट्ज़ और डेवलोस ने पहले ही 3D प्रिंटिंग मेडिकल डिवाइस के लिए नए तरीकों पर सहयोग किया है, जिसमें उन सामग्रियों का उपयोग किया गया है जो उस समय तक दवा परीक्षणों में समस्याग्रस्त थीं। इस परियोजना के पहले चरण में, उन्होंने पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS) को 3D-प्रिंट करने का एक तरीका तैयार किया, जो एक सिलिकॉन पॉलीमर है जिसका उपयोग रक्त-मस्तिष्क अवरोध की नकल करने के लिए किया जा सकता है। उस परियोजना को NIH से $173,000 मिले।

शुल्ट्ज़ ने कहा, “हमने जिस चुनौती को हल करने का लक्ष्य रखा था, वह सामग्री से संबंधित थी।” “ऐसी कोई सामग्री नहीं थी जिसे आप माइक्रोफ़्लुइडिक्स के लिए 3D-प्रिंट कर सकें और जिसे कोशिकाओं के लिए व्यापक रूप से सुरक्षित माना जाता हो। PDMS का इस्तेमाल दो दशकों से अधिक समय तक किया गया, लेकिन यह 3D प्रिंट करने योग्य नहीं था। हमने उस सामग्री को 3D-प्रिंट करने के लिए एक तकनीक विकसित करने का लक्ष्य रखा, जिसके लिए NIH ने हमें परियोजना के पहले चरण में वित्त पोषित किया।”

सामग्री को कोशिकाओं के लिए सुरक्षित होना चाहिए ताकि कोशिकाएँ प्लेटफ़ॉर्म पर विकसित हो सकें और विभिन्न दवाओं की व्यवहार्यता के परीक्षण के लिए परिस्थितियाँ प्रदान कर सकें। कृत्रिम रक्त-मस्तिष्क अवरोध बनाने के लिए, जीवित शरीर में अवरोध बनाने वाले रक्त और ऊतक कोशिकाओं को 3D-मुद्रित टुकड़े पर उगाया गया, इसलिए इसे “चिप पर अंग” कहा गया। 3D प्रिंटिंग का लाभ यह है कि ढांचा अलग-अलग रास्ते और वास्तुकला बनाता है, जिससे रोगी के अपने हिसाब से सिंथेटिक रक्त-मस्तिष्क अवरोध को अनुकूलित किया जा सकता है।

पहले चरण में सफलता मिलने के बाद, शुल्ट्ज़ और डेवलोस ने परियोजना के विस्तार की संभावनाएँ देखीं। अमरिंदर नैन के पास इस कार्य के लिए विशेषज्ञता और उपकरण तैयार थे और उन्होंने पहले डेवलोस के साथ मिलकर काम किया था।

डेवलोस की टीम ने छोटे पैमाने पर जैविक प्रक्रियाओं के व्यवहार का परीक्षण करने के लिए अन्य ऑर्गन-ऑन-ए-चिप प्लेटफ़ॉर्म विकसित किए हैं। डेवलोस की टीम में हाल ही में वर्जीनिया टेक से स्नातक हुए फिलिप ग्रेबिल ने रक्त-मस्तिष्क अवरोध के ऐसे माइक्रोफ्लुइडिक मॉडल विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया और साथ ही नैन के नैनोफाइबर प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करके एकल कोशिकाओं द्वारा इलेक्ट्रोमैकेनिकल संकेतों पर कैसे प्रतिक्रिया दी जाती है, इस पर भी ध्यान केंद्रित किया। अपने सहयोग के माध्यम से, ग्रेबिल ने मस्तिष्क में होने वाली घटनाओं का अधिक सटीक मॉडल बनाने के लिए एक तकनीक को दूसरी तकनीक में बदलने का मौका पहचाना।

जाल बनाना

नैन की विशेषज्ञता नैनोफाइबर झिल्लियों पर शोध है जो जीवित ऊतकों की तरह ही काम करती हैं, जो नैनोस्केल पर एक दूसरे को क्रॉसक्रॉस करने वाले स्पून फाइबर के जाल का उपयोग करके बनाई गई हैं। वे झिल्लियाँ डिवाइस के अगले विकास के लिए महत्वपूर्ण बन गईं और टीम को NIH फंडिंग के दूसरे दौर को हासिल करने में मदद की। डेवलोस और नैन के समूह ने हाल ही में पहली बार अल्ट्रा-थिन और अल्ट्रा-पोरस ब्लड-ब्रेन बैरियर (BBB) ​​प्रकाशित किया है जो इसका अध्ययन करने के लिए अन्य मौजूदा तरीकों की तुलना में लगभग 70 प्रतिशत पतला है।

“अमरिंदर का उपयोग करने में क्या अच्छी बात है? [Nain] डेवलोस ने कहा, “फाइबर नेटवर्क इतना पतला है कि दोनों तरफ कोशिकाएं एक-दूसरे से संवाद कर सकती हैं।” “इससे कोशिकाओं के बीच तंग जंक्शन बन जाते हैं, जिससे उपचारात्मक दवाएं कोशिकाओं से होकर नहीं गुजर पातीं।”

यह ठीक वही नियंत्रण स्तर है जो नैदानिक ​​परीक्षणों से प्राप्त निष्कर्षों से मेल खाने के लिए आवश्यक है। इस विकास के साथ, टीम ने भविष्य के शोधकर्ताओं को पशु मॉडल को न्यूनतम करते हुए शारीरिक रूप से प्रासंगिक वातावरण में दवा परीक्षण के लिए एक विश्वसनीय और तेज़ टर्न-अराउंड टूल दिया है।

शुल्ट्ज़ ने कहा, “रक्त-मस्तिष्क अवरोध में एक भौतिक झिल्ली होती है।” “अमरिंदर [Nain]’नैनोफाइबर झिल्ली वास्तविक मस्तिष्क में तंत्र की मोटाई और छिद्रता की नकल करती है, जो कि इसी तरह के उपकरणों में इस्तेमाल की जाने वाली अधिकांश नकल से बेहतर है। जब हमने NIH को चरण दो का प्रस्ताव दिया, तो हमने अपने पिछले PDMS माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में एकीकृत उन झिल्लियों का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा।

ऑर्गन-ऑन-ए-चिप दृष्टिकोण बनाने के लिए, टीम के हर सदस्य ने अपनी विशेषज्ञता का इस्तेमाल किया। प्रक्रिया आम तौर पर इस प्रकार होती है:

• नैन की टीम अति पतली और नैनोपोरस झिल्ली का उत्पादन करती है।
• शुल्ट्ज़ की टीम झिल्ली प्राप्त करती है, उसे शामिल करते हुए एक डिजाइन बनाती है, फिर पदार्थ के व्यवहार का परीक्षण करने के लिए नादकर्णी की हार्वर्ड टीम द्वारा विकसित प्रणाली का उपयोग करती है।
• तैयार टुकड़ों को डेवलोस की टीम के पास भेजा जाता है ताकि वे उनमें कोशिकाएं लगा सकें और जैविक परीक्षण कर सकें।

नैन ने कहा, “ऑर्गन-ऑन-ए-चिप तकनीक अब 21वीं सदी में मानक प्रयोगशाला प्रोटोकॉल बनने का अनुमान है।” “हमारी तकनीकी सफलताओं ने बाजार में सबसे पतले BBB को सक्षम किया है। भविष्य के डिज़ाइन पुनरावृत्तियों में, हम प्रयोगशाला सेटिंग में शारीरिक आउटपुट प्राप्त करने के लिए मानव शरीर में मौजूद आयामों और वास्तुकला को पूरा करने की उम्मीद करते हैं। जब यह साकार हो जाएगा, तो यह दवाओं के परीक्षण और बायोइंजीनियरिंग और बायोफिज़िक्स का अध्ययन करने के हमारे तरीके को बदल देगा।”