211service.com
Cel op een chip
Het medicijn heparine wordt veel gebruikt om bloedstolling te voorkomen bij medische procedures, variërend van dialyse tot openhartchirurgie. Met een markt van $ 6 miljard is het een van de meest voorkomende medicijnen die tegenwoordig in ziekenhuizen worden gebruikt. Maar het wijdverbreide gebruik ervan logenstraft zijn ruwe oorsprong: meer dan 90 jaar nadat het werd ontdekt, wordt heparine nog steeds gemaakt van varkensdarmen. Maar een nieuwe microfluïdische chip, die de acties van een van de meest mysterieuze organen van de cel nabootst, kan daar verandering in brengen. Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, NY, hebben het eerste kunstmatige cellulaire organel gemaakt en gebruiken het om beter te begrijpen hoe het menselijk lichaam heparine maakt.
Valse cel: Deze microfluïdische chip kan de activiteit van een van de belangrijkste, maar minst begrepen organellen van de eukaryote cel, het Golgi-apparaat, nabootsen. Onderzoekers hopen dat het hen kan helpen begrijpen hoe synthetische versies van belangrijke medicijnen zoals heparine kunnen worden gemaakt.
Wetenschappers hebben gewerkt aan het maken van een synthetische versie van het medicijn, omdat de huidige productiemethode het vatbaar maakt voor besmetting - in 2008 was een dergelijk incident verantwoordelijk voor het doden van tientallen mensen. Maar het medicijn is ongelooflijk moeilijk te maken in een laboratorium gebleken.
Veel van het mysterie van de productie van heparine komt voort uit de plaats van zijn natuurlijke synthese: een cellulair organel genaamd het Golgi-apparaat, dat eiwitten verwerkt en verpakt voor transport uit de cel, en de eiwitten verfraait met suikers om glycoproteïnen te maken. Hoe het dit precies doet, is generaties wetenschappers ontgaan. De Golgi werd meer dan 100 jaar geleden ontdekt, maar wat erin gebeurt, is nog steeds een zwarte doos, zegt Robert Linhardt , een biotechnoloog bij Rensselaer die al bijna 30 jaar aan heparine werkt en hoofdauteur is van de nieuwe studie. Eiwitten gaan erin, glycoproteïnen komen eruit. We kennen de enzymen die er nu bij betrokken zijn, maar we weten niet echt hoe ze worden gecontroleerd.
Om beter te begrijpen wat er zich in de Golgi afspeelde, besloten Linhardt en zijn collega's om hun eigen versie te maken. Het resultaat: het eerste bekende kunstmatige celorganel, een kleine microfluïdische chip die enkele van de acties van de Golgi nabootst. Met het digitale apparaat kunnen de onderzoekers de beweging van een enkele microscopisch kleine druppel controleren terwijl ze enzymen en suikers toevoegen, druppeltjes uit elkaar splitsen en langzaam een molecuulketen zoals heparine opbouwen. We kunnen het proces in wezen beheersen, zoals de Golgi het proces bestuurt, zegt Linhardt. Ik denk dat we een echt kunstmatige versie van de Golgi hebben. We zouden iets kunnen ontwerpen dat als een organel functioneert en het besturen. De volgende stap is het maken van meer gecompliceerde reactiecombinaties.
Mensen hebben stukjes en beetjes van de gereedschapskist gehad om deze belangrijke koolhydraten te maken, maar een ding dat je mogelijk zou moeten doen, is proberen de natuur na te bootsen, of op zijn minst uitzoeken hoe het werkt, zegt Paul de Angelis , een biochemicus en moleculair bioloog aan de Universiteit van Oklahoma die niet bij het onderzoek betrokken was. De miniaturisering die ze aan het doen zijn - kleine belletjes vloeistof laten samensmelten en naar verschillende compartimenten gaan met verschillende katalysatoren onder verschillende omstandigheden - dat is hoe je lichaam en het Golgi-apparaat werken. Het is een mooi model.
Momenteel weten onderzoekers hoe heparine eruit ziet en welke enzymen nodig zijn om het te maken, maar ze weten het niet helemaal hoe het is gemaakt. Het is alsof je alle materialen en gereedschappen hebt die nodig zijn om een huis te bouwen en te weten hoe het uiteindelijke huis eruitziet, en dan iemand te laten zeggen: 'Oké, ga het huis bouwen', zegt Linhardt. Wat we nodig hebben is een blauwdruk. We moeten weten hoe deze gereedschappen samen werken, hoe het huis in elkaar zit. Hij vergelijkt de microfluïdische chip met een zelfgemaakte haspel voor het bouwen van een huis, een die ons vertelt hoe je spijkers moet slaan, hoe je moet zagen, hoe je stutten moet monteren, hoe je muren moet plaatsen. Door reagentia in verschillende hoeveelheden te testen, met verschillende reactietijden, kan de kunstmatige Golgi kan hen misschien leren hoe ze heparine en andere moleculen kunnen synthetiseren in een laboratoriumomgeving.
Het is een samensmelting van techniek en biologie, zegt Jeffrey Esko, een glycobioloog aan de Universiteit van Californië, San Diego. Dat kan in reageerbuizen, maar de chip biedt een manier om het proces op microschaal te automatiseren. De chip zorgt ook voor nauwkeurige controle over elke individuele interactie, en op kleine schaal.
Met de hulp van hun microchip en substantiële financiering van de National Institutes of Health, gelooft Linhardt dat ze binnen de komende vijf jaar biotechnologische heparine in klinische proeven moeten kunnen brengen.