Un creier uman pe un cip sună ca ceva dintr-un film științifico-fantastic, ca un gadget care alimentează un cyborg malefic.
Dr. Raquel Rodrigues, care este inginer în chimie și biologie în cadrul Laboratorului Iberic Internațional de Nanotehnologie (INL) din Braga, Portugalia, consideră însă că un astfel de dispozitiv va fi cheia pentru dezvoltarea unor tratamente mai eficace pentru tulburările neurologice grave, cum ar fi Alzheimer.
„Creierul este un organ foarte complex și intrigant”, spune Rodrigues. „Avem nevoie de monitorizarea electronică a celulelor și a părților experimentale, astfel încât să putem afla cum funcționează”.
Creierul pe un cip
Grație finanțării pentru cercetare din partea UE, Rodrigues și colegii săi cercetători de la INL au reușit să construiască un microcip unic care emulează creierul, ca parte a unui efort de cercetare numit BrainChip4MED, care s-a întins pe doi ani și s-a încheiat în februarie 2024.
Cercetarea a inclus o detașare de 12 luni la Brigham and Women’s Hospital, parte a Facultății de Medicină Harvard și instituție pionieră în dezvoltarea organelor-pe-cip (OoC, organs-on-a-chip) și a biosenzorilor.
Dispozitivul miniatural ingenios dezvoltat de cercetători arată ca cipurile din computere sau smartphone-uri, dar este mult mai complex.
Creierul-pe-cip simulează modul în care funcționează creierul uman, îmbinând chimia, ingineria și biologia pentru a crea un sistem complex de micro-biosenzori pentru screeningul în timp real al noilor nanoterapii.
Bazat pe o tehnologie numită microfluidică, cipul dispune de mai multe micro-canale – cu dimensiuni de zeci până la sute de micrometri – prin care pot trece fluidele. Astfel, se pot analiza cantități foarte mici de produs și se pot testa mai multe eșantioane simultan, reducând costurile totale ale testării.
Bariera cerebrală protectoare
Unul dintre obiectivele centrale ale cercetătorilor a fost să abordeze problema dezvoltării de medicamente capabile să traverseze așa-numita barieră hematoencefalică.
Acest strat de celule cu joncțiuni strânse ajută la protejarea creierului de toxine, germeni și alte substanțe dăunătoare care ar putea fi prezente în sânge.
Doar cele mai mici molecule pot trece prin bariera hematoencefalică. Deși aceasta joacă un rol protector foarte important, a îngreunat și eforturile de dezvoltare a unor medicamente pentru tratamentul tulburărilor neurologice.
Orice medicament menit să trateze creierul trebuie să treacă prin această membrană pentru a-și atinge ținta. Însă în lipsa testării pe oameni, există puține modalități eficiente de a determina cât de capabil va fi un medicament să pătrundă în creier.
„În prezent, există doar patru medicamente pentru Alzheimer disponibile în comerț și niciunul dintre acestea nu tratează, de fapt, boala Alzheimer, ci doar acționează asupra simptomelor”, spune Rodrigues.
„Aceasta deoarece companiile farmaceutice trebuie să investească sume mari în medicamente despre care nu sunt sigure că vor trece de bariera hematoencefalică. Prin urmare, nu o fac”.
O companie farmaceutică ar putea cheltui milioane pentru a dezvolta un medicament, numai pentru a descoperi apoi că acesta nu poate trece de bariera hematoencefalică. Finanțarea oferită de UE pentru noul cip care emulează creierul dezvoltat la INL rezolvă această problemă.
Imitarea vieții pe un cip
Echipa de cercetători a recreat membrana barierei hematoencefalice pe un cip folosind material bioorganic.
„Prin asta se deosebește ceea ce facem noi”, spune Rodrigues. „Folosim o biomembrană care seamănă mai îndeaproape cu bariera din creierul nostru. Alte dispozitive folosesc bariere fizice, realizate din componente polimerice. Noi credem că una biologică este superioară.”
Prin această nouă tehnologie avansată creier-pe-cip, cercetătorii vor putea injecta în cip un medicament în faza de dezvoltare, pentru a-i monitoriza efectele și a vedea cât de bine poate pătrunde în creier.
Scopul este de a schimba modul în care sunt dezvoltate aceste tipuri de medicamente. În prezent, acest tip de testare se realizează, în mare parte, pe animale, ceea ce vine cu o serie de dileme etice și inconveniente practice. Aceste microcipuri de tipul organe-pe-cip oferă o posibilă alternativă la testarea tradițională pe animale.
„Creierul unui animal este diferit de creierul unui om”, spune Rodrigues. „De aceea, multe medicamente în curs de dezvoltare nu reușesc să producă rezultate. Testarea pe animale nu reproduce neapărat ceva ce se întâmplă și la oameni”.
Miza este mare. Tulburările cerebrale reprezintă una dintre cele mai mari provocări de sănătate ale vremurilor noastre. Se estimează că aproximativ 165 de milioane de europeni suferă de o tulburare cerebrală. Unul din trei oameni va suferi de o tulburare neurologică și/sau mentală la un moment dat în viață.
Costurile totale pentru bugetele europene de asistență medicală sunt estimate la 800 miliarde de euro anual, iar această sumă va crește odată cu îmbătrânirea populației.
Sunt incluse aici bolile neurodegenerative binecunoscute, cum ar fi boala Alzheimer și boala Parkinson, dar și alte tulburări cum ar fi epilepsia, depresia, accidentele vasculare cerebrale, migrenele, tulburările de somn, leziunile cerebrale traumatice, sindromurile de durere și dependența.
Un pas important înainte
INL este unul dintre principalele institute europene de cercetare, fiind cofinanțat de guvernele naționale ale Portugaliei și Spaniei.
De asemenea, beneficiază de sprijin și din partea UE și a industriei. Dr. Manuel Bañobre-López, liderul Grupului de cercetare în nanomedicină de la INL, a supervizat activitățile de creare a noului cip.
„La INL, avem o experiență vastă în microfluidică, disciplina care studiază tipul de cip pe care l-am creat în cadrul BrainChip4MED”, spune Bañobre-López.
Totuși, ar putea fi nevoie să mai așteptăm puțin până când dispozitivul creier-pe-cip să fie gata de utilizare, avertizează acesta.
Deși prototipul este gata, este nevoie de rafinări suplimentare. Va trebui să fie supus unor teste riguroase pentru a se asigura că poate fi utilizat pentru medicamente care vor fi administrate în cele din urmă pacienților umani. Numai acest proces va dura ani de zile.
Cu toate acestea, cercetătorii sunt optimiști.
„Trebuie să combatem Alzheimer, este una dintre cele mai problematice boli neurologice la nivel mondial”, spune Rodrigues. „Iar pentru aceasta, trebuie să găsim noi medicamente. Tehnologia dezvoltată de noi este un pas important în această direcție.”
Articol scris de Tom Cassauwers
Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin acțiunile Marie Skłodowska-Curie (MSCA). Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.
Mai multe informații
- BrainChip4MED
- Site-ul proiectului BrainChip4Med
- Cercetarea și inovarea finanțate de UE în domeniul sănătății
- Cercetarea UE în domeniul creierului
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.