پمپ الهام‌گرفته از آکاردئون، مشکل ۲۵ ساله «ارگان روی تراشه» را حل کرد و آزمایش دارو را متحول ساخت

پتانسیل فناوری «ارگان روی تراشه» به دلیل یک تنگنای مکانیکی ۲۵ ساله محدود شده بود: ناتوانی در بازتولید دقیق پالس‌های پیچیده و سریع جریان خون انسان.

در حالی که تراشه‌های ریزسیال (microfluidic) می‌توانند ساختار سلولی اندام‌های انسانی را تقلید کنند، پمپ‌هایی که سیال را از طریق آنها به حرکت در می‌آورند، از نظر تاریخی ناکافی بوده‌اند. ضربان قلب انسان پالس‌ها و طول‌موج‌های متعددی تولید می‌کند که نیازمند تغییر جریان در عرض ۵۰ میلی‌ثانیه است.

پمپ‌های آزمایشگاهی مرسوم معمولاً جریان پیوسته یا ضربانی بیش از حد ساده‌ای را ارائه می‌دهند. این تنش مکانیکی غیرطبیعی، سلول‌های اندوتلیال پوشاننده رگ‌های خونی مصنوعی را فعال می‌کند و رفتارهای پاتولوژیک را برمی‌انگیزد که میانگین طول عمر این مدل‌ها را به تنها چهار روز محدود می‌کند.[1][4]

یک پیشرفت بزرگ که در مجله «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده است، راه‌حلی را شرح می‌دهد که از منبعی بعید الهام گرفته شده است: آکاردئون. محققان دانشگاه تگزاس اِی‌اند‌اِم (Texas A&M) یک پمپ مکانیکی مستقل به نام «هما‌داین» (HemaDyne) طراحی کرده‌اند که از فیزیک دمنده‌های آکاردئون برای تولید شکل‌موج‌های فشار سریع و پیچیده بهره می‌برد.[1]

دکتر آبیشک جین و دکتر آنکیت کومار پس از مشاهده دانشجویی که در محوطه دانشگاه آکاردئون می‌نواخت، این ایده را مطرح کردند. آنها متوجه شدند که هندسه این ساز امکان تغییرات سریع فشار هوا را با حداقل تلاش فراهم می‌کند؛ اصلی که ابتدا با استفاده از توزیع‌کننده‌های چسب پلاستیکی به سبک آکاردئون آزمایش کردند و سپس به نمونه‌های اولیه چاپ سه‌بعدی روی آوردند.

دستگاه هما‌داین حاصل، با یک الگوریتم کنترل سفارشی جفت شده است که قادر است شکل‌موج‌های جریان خون بالینی را با تفکیک‌پذیری زمانی ۴۰۰ میلی‌ثانیه بازتولید کند.[1]

طبق داده‌های بررسی‌شده توسط همتایان، هما‌داین دینامیک‌های خونی (همودینامیک) بیمار را که از طریق سونوگرافی داپلر ثبت شده‌اند، با وفاداری فضایی-زمانی تقریباً مطلق بازسازی می‌کند. این شامل جریان‌های گذرا به جلو و عقب، و همچنین دامنه‌ها و فازهای متعدد در یک دوره واحد است.[1]

تأثیر فیزیولوژیکی این وفاداری مکانیکی عمیق است. هما‌داین با فراهم کردن یک محیط جریان پایدار و واقع‌گرایانه، کشت طولانی‌مدت سلول‌های اندوتلیال اولیه انسانی را در یک تراشه رگ تا ۶۰ روز حفظ کرد—این یک پیشرفت عظیم نسبت به میانگین چهار روزه فناوری‌های موجود است.[1][2]

این طول عمر طولانی‌تر به محققان اجازه می‌دهد تا مطالعات طولی در مورد پاتوبیولوژی بیماری‌های عروقی انجام دهند که قبلاً در محیط آزمایشگاهی (in vitro) غیرممکن بود. ناسا حتی این تحقیق را برای ارزیابی عوامل استرس‌زای تصلب شرایین و بیماری عروقی ناشی از تشعشع در طول پروازهای فضایی طولانی‌مدت تأمین مالی کرده است.[2]

بسته شواهد نشان می‌دهد که هما‌داین می‌تواند نقش فاز استراحت دیاستولی همودینامیک را به عنوان عامل تعیین‌کننده هموستاز اندوتلیال (حفظ تعادل سلول‌های پوشاننده رگ) تحلیل کند.[1]

علاوه بر این، این سیستم با موفقیت اثرات پاتولوژیک مرتبط با سن ناشی از جریان برگشتی دیاستولی گذرا (یا معکوس شدن جریان) بر سلول‌های اندوتلیال شریانی را بازسازی کرد. نکته مهم این است که اینها دینامیک‌های همودینامیکی ظریفی هستند که مدل‌های حیوانی سنتی نمی‌توانند به طور دقیق بازتولید کنند.[1][5]

ناتوانی مدل‌های حیوانی در پیش‌بینی کامل واکنش‌های انسانی، یک بحران دیرینه در داروشناسی بوده و منجر به نرخ بالای شکست در آزمایش‌های بالینی شده است. فناوری «ارگان روی تراشه» قصد دارد این شکاف را پر کند، اما قدرت پیش‌بینی آن کاملاً به دقت فیزیولوژیکی محیط آزمایشگاهی (in vitro) بستگی دارد.[3][5]

هما‌داین با حل مشکل پرفیوژن (جریان خون مصنوعی)، دریچه‌ای را به سوی پزشکی قلبی-عروقی واقعاً شخصی‌سازی‌شده می‌گشاید.

پزشکان می‌توانند به صورت تئوری شکل‌موج جریان خون یک بیمار خاص را با استفاده از سونوگرافی ثبت کنند، همان محیط مکانیکی دقیق را در آزمایشگاه با استفاده از هما‌داین بازسازی کنند و درمان‌های مختلف را روی سلول‌های بیوپسی‌شده خود بیمار آزمایش کنند.

این امر به پزشکان اجازه می‌دهد تا مشاهده کنند که چگونه اندوتلیوم بیمار تحت شرایط همودینامیکی منحصر به فرد خود به داروهای مختلف واکنش نشان می‌دهد و مؤثرترین درمان را قبل از بلعیدن حتی یک قرص شناسایی کنند.[3]

در حالی که این فناوری در حال حاضر در مرحله پیش‌بالینی قرار دارد، محققان درخواست ثبت اختراع داده‌اند و در حال انجام مطالعاتی برای فعال‌سازی داروی جدید تحقیقاتی هستند. گذار از نمونه اولیه دانشگاهی به ابزار استاندارد غربالگری دارویی، نیازمند مقیاس‌بندی تولید و ادغام پمپ با مدل‌های مختلف اندام‌ها فراتر از سیستم عروقی خواهد بود.[1][2][5]