Pasukan pelbagai disiplin di University of Wisconsin-Madison dan Institut Penyelidikan Morgridge sedang mencipta cara yang lebih pantas dan berpatutan untuk menyaring toksin saraf, membantu menandai bahan kimia yang boleh membahayakan pembangunan manusia.
Institut Kesihatan Nasional (NIH) mengumumkan bahawa pasukan UW-Madison dan Morgridge adalah antara 11 universiti yang menerima sokongan untuk meneruskan kerja yang menjanjikan sebagai sebahagian daripada program Pemeriksaan Ubat Tisu Cip Tisu. Pasukan itu akan menerima kira-kira $7 juta sepanjang projek tiga tahun itu.
Fasa seterusnya program NIH bertujuan untuk menambah baik cara meramalkan keselamatan dan keberkesanan dadah. Penyelidik akan bekerjasama untuk memperhalusi cip tisu manusia 3-D sedia ada dan menggabungkannya ke dalam sistem bersepadu yang boleh meniru fungsi kompleks badan manusia.
"Kami menyasarkan untuk mendapatkan lebih banyak rawatan kepada lebih ramai pesakit dengan lebih cekap, " kata Christopher P. Austin, pengarah Pusat Kebangsaan untuk Memajukan Sains Terjemahan (NCATS) NIH. "Itulah sebabnya kami menyokong pembangunan teknologi cip tisu manusia, yang boleh menjadi revolusioner dalam menyediakan cara yang lebih pantas, lebih kos efektif untuk meramal kegagalan atau kejayaan ubat sebelum melabur dalam ujian klinikal manusia."
Pasukan UW-Madison telah berjaya mendapatkan sel-sel progenitor neural yang berasal dari sel stem pluripoten manusia untuk berkembang dalam persekitaran hidrogel 3-D. Dari situ, sel-sel membezakan, mengatur sendiri, dan matang menjadi tisu saraf yang kompleks. Kira-kira satu perlima lilitan sepeser pun, persekitaran mikro terhimpun menjadi model tisu tiga dimensi yang meniru struktur dan fungsi otak yang sedang berkembang.
Selaras dengan kerja biologi, pasukan sedang menguji algoritma pembelajaran mesin yang boleh meramalkan tindak balas toksik kepada sebatian yang ditambahkan pada persekitaran yang dibina ini. Keputusan awal pada sistem 2-D dengan 45 toksin atau sebatian kawalan yang diketahui menghasilkan ketepatan 100 peratus.
Tetapi implikasi kesihatan manusia adalah lebih luas, kata James Thomson, pengarah biologi regeneratif untuk Institut Morgridge dan penyiasat utama projek itu. Masyarakat moden dipenuhi dengan bahan kimia, dengan berjuta-juta sebatian sedia ada dan beribu-ribu sebatian baharu ditambah kepada penggunaan biasa setiap tahun. Namun begitu menghairankan, sedikit yang diketahui tentang kesan pembangunan manusia sebatian ini, kata Thomson.
"Terdapat keperluan besar untuk menghasilkan kaedah pemprosesan tinggi untuk mengklasifikasikan sebatian dengan cepat sebagai berbahaya atau tidak berbahaya, " kata Thomson."Sebahagian besar sebatian hari ini tidak diuji sama sekali. Kita perlu mengenal pasti yang buruk secara proaktif dan mengujinya secara intensif."
Peningkatan baru-baru ini dalam gangguan neurologi seperti autisme, dan pengiktirafan keterbatasan usaha saringan semasa, mengukuhkan lagi keperluan. Menggunakan model haiwan, saringan jenis ini kerap dilakukan dalam kajian berbilang generasi dengan tikus, yang memakan masa, kaitan fisiologi terhad dan kos lebih daripada $1 juta setiap kajian, kata Thomson.
Model berasaskan sel stem ini boleh menggantikan ujian haiwan semasa untuk skrin ketoksikan yang pantas dan tepat, katanya, yang berpotensi mengurangkan secara mendadak bilangan haiwan yang digunakan dalam penyelidikan.
"Kaedah saringan jenis ini boleh memberi kesan pada semua yang bersentuhan dengan tubuh manusia, termasuk makanan, kosmetik, ubat-ubatan, racun perosak dan ribuan molekul yang menyerang kita setiap hari," kata Thomson.
Projek UW-Madison ialah kerjasama unik antara tiga bidang kepakaran. Pertama, pasukan biologi regeneratif Thomson menghasilkan setengah dozen jenis sel berbeza daripada sel stem pluripotent manusia yang penting untuk fungsi otak, seperti sel saraf, glial dan saluran darah. Kejuruteraan bioperubatan Profesor William Murphy mencipta hidrogel sintetik yang diperlukan untuk menyokong pertumbuhan tisu. Akhirnya, David Page, profesor biostatistik dan informatika perubatan, mencipta model pembelajaran mesin yang akan menandakan sebatian yang berpotensi berbahaya.
Murphy berkata pasukan itu telah mencapai "kemajuan yang sangat baik" dalam masa dua tahun sahaja. "Kami melihat perhimpunan tisu manusia yang benar-benar tidak pernah berlaku sebelum ini, " kata Murphy. "Kami telah mencipta tisu manusia bervaskular yang meniru beberapa aspek kritikal perkembangan otak awal."
Hidrogel yang dibangunkan oleh Murphy adalah penting untuk model, kerana ia menyediakan persekitaran sintetik yang ringkas yang boleh dikawal dengan tepat dari percubaan ke percubaan. Kerja Page bermula selepas pasukan membangunkan tisu saraf dalam sisipan 24-telaga dan memperkenalkan sebatian kimia yang berbeza dalam setiap telaga, beberapa pada selang masa yang berbeza untuk mencerminkan titik yang berbeza dalam proses pembangunan sel.
Dalam ujian pertama yang dilakukan dengan 45 sebatian - 29 toksin yang diketahui dan 16 sebatian kawalan yang diketahui bukan toksik - Halaman melakukan sejenis ujian penahanan yang dipanggil pengesahan silang. Dia memegang satu daripada 45 kompaun dan melatih 44 yang lain, berusaha untuk melihat sama ada komputer boleh mengenal pasti setiap pegangan. Pembelajaran mesin dalam proses ini adalah 100 peratus tepat dalam masa 48 jam selepas sel terdedah.
Ujian ini dilakukan dengan sampel dua dimensi, dan ujian kedua dengan 70 bahan kimia sedang dijalankan dengan tisu daripada persekitaran 3-D.
Zhonggang Hou, penolong saintis di makmal Thomson yang menyelia projek itu, berkata pasukan itu bekerja rapat dengan Agensi Perlindungan Alam Sekitar (EPA) untuk mengenal pasti neurotoksin yang diketahui paling sesuai untuk ujian awal."Dalam tempoh tiga tahun akan datang, kami ingin mengembangkan senarai bahan kimia untuk saringan dan mengautomasikan proses saringan dadah, yang kini kami lakukan dengan tangan," katanya.
