Preciziós gyógyszerkészítés a személyre szabott gyógyászatért
A mikrofluidikus a folyadékok mikroszkopikus méretű csatornákban való kezelésének tudományára és technológiájára utal. Ez egy interdiszciplináris terület, amely a folyadékok viselkedésével foglalkozik a mikro-méretben, általában milliméter alatti méretben vagy mikroliter alatti mennyiségben. A mikrofluidikus eszközök lehetővé teszik kísérletek elvégzését nagyon kis mintamennyiségekkel, és számos területen alkalmazzák, például a biológiában, kémiában, orvostudományban és anyagtudományban.
A gradiens egy mennyiség (például hőmérséklet, nyomás, magasság) térbeli változásának irányát és nagyságát jelenti, és megmutatja, hogy az adott pontban melyik irányban növekszik a leggyorsabban a függvény értéke. Többnyire olyan fogalom, ami megmutatja egy változás meredekségét vagy fokozatos növekedésének mértékét.
A Tajvani Nemzeti Egyetem és a Tajvani Nemzeti Alkalmazott Kutatási Intézetek tudósai kifejlesztettek egy gyors és pontos mikrofluidikus eszközt, amely precíz gyógyszergradienseket generál és felülmúlja a kézi hígítást, lehetővé téve a megbízható, nagy áteresztőképességű és személyre szabott gyógyszeres kezeléshez szükséges több gyógyszeres szűrést. Az erről szóló tanulmány a Chemical Engineering Journal folyóiratban jelent meg.
A rák továbbra is az egyik legsürgetőbb egészségügyi kihívás a világon: a Világ Egészségügyi Szervezet jelentése szerint 2022-ben 20 millió új esetet és 9,7 millió halálesetet regisztráltak. Mivel a globális rákos megbetegedések száma 2050-re várhatóan meghaladja a 35 millió esetet, egyre nagyobb szükség van hatékony és személyre szabott kezelési stratégiákra.
A rákterápia egyik fő akadálya a tumor heterogenitása, amely a betegek egyedi gyógyszerreakcióihoz és gyakori gyógyszerrezisztencia kialakulásához vezet. Ezért nemcsak új terápiák kifejlesztése elengedhetetlen, hanem a személyesen optimális gyógyszeradagok és kombinációk gyors összeállítása is.
A hagyományos gyógyszerszűrés nagymértékben támaszkodik a kézi pipettázásra és a sorozatos hígításokra, amelyek munkaigényesek, hajlamosak a kumulatív hibákra és nehezen skálázhatók. Bár a nagy áteresztőképességű szűrőrendszerek javították a tesztelési kapacitást, még mindig jelentős korlátai vannak – különösen a kulcsfontosságú farmakológiai paraméterek, például az IC50 és az Emax meghatározásához szükséges pontos koncentrációs gradiensek generálásában.
Az IC50 érték egy félkoncentráció (Inhibitory Concentration 50), amely megadja azt a vegyületkoncentrációt, amely félannyi aktivitást eredményez. Ez az érték az inhibitorok (gátlószerek) hatékonyságát jellemzi, és azt mutatja meg, hogy milyen koncentrációban képesek egy adott biokémiai vagy sejtbiológiai folyamatot a felére csökkenteni, azaz gátolni. Emax (maximum effect) A maximális hatás az adott gyógyszerrel elérhető legnagyobb választ jelenti, amely a dózistól függetlenül a hatékonyság csúcsszintjét jelzi.
Még a kis hígítási hibák is torzíthatják a gyógyszerreakció görbéket és veszélyeztethetik a klinikai relevanciát. Ezeknek a kihívásoknak a megoldására a kutatók kifejlesztettek egy nagy áteresztőképességű mikrofluidikai eszközt, amely képes gyorsan pontos gyógyszerkoncentrációs gradienseket előállítani. A lassú, instabil vagy berendezésfüggő diffúziós alapú vagy csepp-mikrofluidikai módszerekkel ellentétben az új rendszer mikrocsatornákban szabályozott lamináris áramlást használ a koncentrációarányok egyszerű csatornahossz-tervezéssel történő beállításához.
Ez a megközelítés rendkívül pontos gradienseket eredményez, amelyek az áramlási sebesség változásaitól függetlenül stabilak maradnak, és 30 másodpercen belül elérik a steady state-et (állandósult állapot). Ez olyan állapotot jelöl, amelyben a reagens és a termék koncentrációja időben állandó marad, annak ellenére, hogy a reakció továbbra is zajlik.
A BSA-oldatokkal (szarvasmarha szérumalbumint Bovine Serum Albumin tartalmazó oldat) és rákgyógyszerekkel végzett validációs vizsgálatokban az eszköz az elméleti értékektől kevesebb mint 6%-os eltérésű koncentrációs gradienseket hozott létre, ami messze felülmúlta a kézi hígítás eredményeit. Az oxaliplatin HCT-116 vastagbélrákos sejteken végzett citotoxicitási vizsgálatai csak 2,45%-os IC50 eltérést mutattak a hagyományos módszerekhez képest. Az 5-FU, oxaliplatin és SN-38 gyógyszerekkel végzett többgyógyszeres szűrés továbbá a szinergikus hatások következetes kimutatását bizonyította.
A készülék kimeneti kialakítása kompatibilis a szabványos 96-lyukú lemezekkel, így zökkenőmentesen integrálható a meglévő szűrési munkafolyamatokba. A jövőbeli munkák célja a rendszer alkalmazása betegektől származó organoidokon, ami elősegítheti a precíziós onkológia és a személyre szabott terápiás stratégiák fejlődését.
„A munkaerőigény csökkentésével, az emberi hibák minimalizálásával és a gyors, megbízható gyógyszervizsgálatok lehetővé tételével ez a mikrofluidikai platform jelentősen felgyorsítja a rákgyógyszerek fejlesztési folyamatát” – mondja Chien-Fu Chen, Ph.D., társszerző és a Nemzeti Tajvani Egyetem Alkalmazott Mechanika Intézetének professzora.