2021. godine, istraživački tim predvođen Univerziteta Northvestern počeo je da radi na razvoju implantabilne „žive apoteke“ za kontrolu ciklusa spavanja i buđenja ljudskog tela. Sada su istraživači napravili veliki korak ka postizanju ovog cilja.
U novom radu, istraživači su razvili novi uređaj koji proizvodi kiseonik na mestu kako bi održao ćelije živima unutar samostalnog implantata. Kiseonik je glavni sastojak za održavanje ćelija živim — i napredujućim — tokom dužih vremenskih perioda u implantabilnoj apoteci. Pošto duže ćelije mogu da ostanu žive i zdrave, duže mogu autonomno da proizvode terapeutike za telo.
Koristeći električnu energiju za cepanje vode u kojoj su ćelije već okupane, istraživači su uspeli da proizvedu kiseonik, izbegavajući proizvodnju štetnih nusproizvoda kao što su hlor ili vodonik peroksid. I kontrolisanjem količine utrošene električne energije, istraživači bi mogli da promene koliko kiseonika proizvodi.
U novim eksperimentima, novi uređaj (nazvan „elektrokatalitički oksigenator na licu mesta“ ili „ecO 2“) održavao je ćelije (70–80%) u životu skoro mesec dana u uslovima niske količine kiseonika in vitro ili nedeljama in vivo. Bez ecO 2, samo oko 20% ćelija je bilo živo nakon 10 dana, ali istraživači pretpostavljaju da bi ćelije izgubile svoju sposobnost da luče lekove mnogo pre toga. Sa napretkom u bežičnoj snazi i komunikaciji, istraživači su uvereni da je hronična operacija tokom više meseci ili više na dohvat ruke.
Istraživanje, „Elektrokatalitička oksigenacija na licu mesta za terapije zasnovane na transplantiranim ćelijama“, objavljeno je u Nature Communications.
„Naš uređaj se može koristiti za poboljšanje ishoda terapija zasnovanih na ćelijama, koje koriste biološke ćelije za lečenje bolesti ili povreda u telu“, rekao je Džonatan Rivnej iz Northvesterna, koji je ko-vodio studiju.
„Terapije zasnovane na ćelijama mogu se koristiti za zamenu oštećenih tkiva, za isporuku lekova ili povećanje sopstvenih mehanizama zarastanja tela, čime se otvaraju mogućnosti za zarastanje rana i tretmane gojaznosti, dijabetesa i raka, na primer. Stvaranje kiseonika na licu mesta je ključno za mnoge ovih ‘biohibridnih’ ćelijskih terapija. Potrebno nam je mnogo ćelija da bismo imali dovoljnu proizvodnju terapeutika iz tih ćelija, tako da postoji velika metabolička potražnja. Naš pristup bi integrisao ecO 2 uređaj za generisanje kiseonika iz same vode.“
Rivnai je profesor biomedicinskog inženjerstva i nauke o materijalima i inženjeringa na Northvestern’s McCormick School of Engineering i glavni istraživač projekta NTRAIN (Normaliziranje vremena ritmova u internim mrežama cirkadijskih satova). On je zajedno vodio novu studiju sa Tzahi Cohen-Karnijem, profesorom biomedicinskog inženjerstva i nauke o materijalima i inženjeringa na Univerzitetu Carnegie Mellon (CMU). Prvi koautori studije su Abhijith Surendran iz Northvesterna i Inkiu Lee iz CMU.
Konačno, cilj strategije „žive apoteke“ koja se može implantirati je da se razviju uređaji kojima nikada ne ponestane lekova. Tada ljudi nikada neće morati da brinu o tome da li će se setiti da uzmu svoje lekove ili ubrizgaju terapijske lekove. Ali, da bi ovo uspešno funkcionisalo, implantat mora da traje duže vreme bez potrebe za dopunom.
Kombinujući sintetičku biologiju sa bioelektronikom, Northvestern vodi saradnju sa profesorom biomedicinskog inženjeringa Univerziteta Rice Omidom Veisehom kako bi proizveo terapeutike na licu mesta unutar uređaja. Održavanje ovih konstruisanih ćelija u životu je ključni korak u razvoju ovih uređaja koji mogu da spasu život. Iako su prethodna istraživanja istraživala strategije za isporuku kiseonika ćelijama, te metode su koristile glomaznu opremu koja je nepraktična za upotrebu unutar ljudskog tela.
„Neki pristupi uvode gasoviti kiseonik izvan tela da bi se rešio ovaj problem. Ovo je slično korišćenju rezervoara za ronjenje tokom ronjenja“, rekao je Surendran. „Gabazan je. Morate ga nositi sa sobom. Vazduh može da nestane, a postoji veliki rizik od gasne embolije.“
Da bi zaobišli potrebu za nepraktičnom opremom, istraživači su se okrenuli cepanju vode, popularnoj strategiji za konverziju i skladištenje energije. Na primer, drugi istraživači su istraživali cepanje vode na vodonik i kiseonik kako bi koristili vodonik kao gorivo. Međutim, ove tehnologije se fokusiraju na cepanje vode u alkalnim ili kiselim uslovima. Rivnajev tim, s druge strane, više je zainteresovan za proizvodnju kiseonika u uslovima uporedivim sa onima u ljudskom telu.
Tajna iza novog ecO 2 uređaja tima je raspršeni iridijum oksid, uspešan elektrokatalizator koji se takođe koristi u biomedicinskim aplikacijama. Unutar uređaja, ćelije već žive u tečnosti vode, soli i hranljivih materija. Iridijum oksid pomaže u pokretanju elektrohemijske reakcije na niskom naponu za isporuku kiseonika koristeći već dostupnu vodu u biofluidima. Struja razdvaja vodu na vodonik i kiseonik.
„To je jednostavno kao eksperiment Hemija 101 koji smo svi radili kao deca“, rekao je Rivnej. „Propuštate struju kroz vodu i na metalima se formiraju mehurići, a voda se razdvaja na kiseonik i vodonik. Mi to radimo, ali na pametniji način. Korišćenje jedinstvenih materijala omogućava efikasniju i nisku energetsku proizvodnju kiseonika. A u našem uređaju, mi ne formiramo mehuriće kiseonika. Mi radimo sa našim uređajima u uslovima u kojima je kiseonik koji se generiše rastvoren u vodi—bez mehurića.“
U eksperimentima, ecO 2 je proizveo dovoljno kiseonika da održi gusto zbijene ćelije (60.000 ćelija po kubnom milimetru) u životu u uslovima hipoksije. Ovi rezultati dokazuju da se ecO 2 uređaji mogu lako integrisati u bioelektronske platforme, omogućavajući veliko opterećenje ćelija u manjim uređajima sa širokom primenom.
Bez ecO 2 kontrolne ćelije su brzo propale.
„Gustoća ćelija korišćena u našoj studiji je oko šest puta veća od prosečne gustine ćelija ostrvaca pankreasa prijavljene u literaturi“, rekao je Surendran. „Normalna koncentracija kiseonika u krvi nije dovoljna da održi njihovu održivost tokom dužeg perioda. Posle prve nedelje, 70% ćelija u kontrolnim uređajima je izgubilo funkcionalnost. Preostalih 30% je trebalo još oko 10 dana da izgube funkcionalnost.“
Zatim, Rivnai i saradnici će se fokusirati na dugoročnu primenu ecO 2 . Konkretno, oni rade na visoko stabilnim materijalima koji mogu da funkcionišu u telu mesecima – na kraju koriste ovaj pristup za lečenje hroničnih bolesti.
„Verujemo da će ova tehnologija omogućiti manju, snažniju ćelijsku terapiju i regulisane uređaje za ćelijsku terapiju“, rekao je Rivnai. „Naš cilj je da ovu tehnologiju prevedemo u kliniku. Trenutno istražujemo različite modele bolesti.“
