211service.com
Cell på ett chip
Läkemedlet heparin används i stor utsträckning för att förhindra blod från att koagulera vid medicinska procedurer som sträcker sig från dialys till öppen hjärtkirurgi. Med en marknad på 6 miljarder dollar är det ett av de vanligaste läkemedlen som används på sjukhus idag. Men dess utbredda användning motsäger dess råa ursprung: mer än 90 år efter att det upptäcktes tillverkas heparin fortfarande från svintarm. Men ett nytt mikrofluidikchip, som efterliknar handlingar av ett av cellens mest mystiska organ, kan hjälpa till att ändra det. Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute i Troy, NY, har skapat den första artificiella cellulära organellen och använder den för att bättre förstå hur människokroppen gör heparin.
Falsk cell: Detta mikrofluidikchip kan replikera aktiviteten hos en av de eukaryota cellens viktigaste, men minst förstådda, organeller - Golgi-apparaten. Forskare hoppas att det kan hjälpa dem att förstå hur man skapar syntetiska versioner av viktiga droger som heparin.
Forskare har arbetat med att skapa en syntetisk version av medicinen, eftersom den nuvarande produktionsmetoden gör den mottaglig för kontaminering - 2008 var en sådan incident ansvarig för att döda mängder av människor. Men drogen har visat sig vara otroligt svår att skapa i ett labb.
Mycket av mysteriet med heparinproduktion härrör från platsen för dess naturliga syntes: en cellulär organell som kallas Golgi-apparaten, som bearbetar och förpackar proteiner för transport ut ur cellen, dekorerar proteinerna med sockerarter för att göra glykoproteiner. Exakt hur det gör detta har gäckat generationer av vetenskapsmän. Golgi upptäcktes för över 100 år sedan, men det som händer inuti den är fortfarande en svart låda, säger Robert Linhardt , en bioteknolog vid Rensselaer som har arbetat med heparin i nästan 30 år och är huvudförfattare till den nya studien. Proteiner går in, glykoproteiner kommer ut. Vi känner till enzymerna som är involverade nu, men vi vet inte riktigt hur de kontrolleras.
För att bättre förstå vad som pågick inuti Golgi, bestämde sig Linhardt och hans kollegor för att skapa sin egen version. Resultatet: den första kända artificiella cellorganellen, ett litet mikrofluidikchip som efterliknar några av Golgis handlingar. Den digitala enheten låter forskarna kontrollera rörelsen av en enda mikroskopisk droppe medan de tillsätter enzymer och sockerarter, delar isär droppar och långsamt bygger en molekylkedja som heparin. Vi kan i huvudsak kontrollera processen, som Golgi kontrollerar processen, säger Linhardt. Jag tror att vi har en verkligt konstgjord version av Golgi. Vi skulle faktiskt kunna designa något som fungerar som en organell och kontrollera det. Nästa steg är att göra mer komplicerade reaktionskombinationer.
Människor har haft bitar av verktygslådan för att göra dessa viktiga kolhydrater, men en sak du potentiellt borde göra är att försöka efterlikna naturen, eller åtminstone ta reda på hur det fungerar, säger Paul DeAngelis , en biokemist och molekylärbiolog vid University of Oklahoma som inte var involverad i forskningen. Miniatyriseringen som de gör – att ha små bubblor av flytande säkring och gå till olika fack med olika katalysatorer under olika förhållanden – det är så din kropp och Golgi-apparaten fungerar. Det är en fin modell.
För närvarande vet forskare hur heparin ser ut och vilka enzymer som krävs för att göra det, men de vet inte riktigt hur den är gjord. Det är som att ha allt material och verktyg som krävs för att bygga ett hus och veta hur det slutliga huset ser ut, och sedan få någon att säga: 'Okej, gå och bygg huset', säger Linhardt. Det vi behöver är en ritning. Vi behöver veta hur dessa verktyg fungerar tillsammans, hur huset är monterat. Han liknar mikrofluidikchippet vid en husbyggande gör-det-själv-rulle, en som berättar för oss hur man slår spikar, hur man sågar, hur man monterar stag, hur man sätter in väggar. Genom att testa reagenser i olika mängder, med olika reaktionstider, konstgjorda Golgi kanske kan lära dem hur man syntetiserar heparin och andra molekyler i en laboratoriemiljö.
Det är en fusion av teknik och biologi, säger Jeffrey Esko, en glykobiolog vid University of California, San Diego. Man kan göra detta i provrör, men chippet ger ett sätt att automatisera processen i mikroskala. Chipet möjliggör också exakt kontroll över varje enskild interaktion, och i liten skala.
Med hjälp av deras mikrochip och betydande finansiering från National Institutes of Health, anser Linhardt att de borde kunna föra in biotekniskt heparin i kliniska prövningar inom de närmaste fem åren.