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Cella su un chip
Il farmaco eparina è ampiamente utilizzato per prevenire la coagulazione del sangue in procedure mediche che vanno dalla dialisi alla chirurgia a cuore aperto. Con un mercato da 6 miliardi di dollari, è uno dei farmaci più comuni utilizzati oggi negli ospedali. Ma il suo uso diffuso smentisce le sue origini grezze: più di 90 anni dopo la sua scoperta, l'eparina è ancora ricavata da intestini di maiale. Ma un nuovo chip di microfluidica, che imita le azioni di uno degli organi più misteriosi della cellula, potrebbe aiutare a cambiarlo. I ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, NY, hanno creato il primo organello cellulare artificiale e lo stanno usando per capire meglio come il corpo umano produce l'eparina.
Cellula falsa: Questo chip microfluidico può replicare l'attività di uno degli organelli più importanti, ma meno compresi, della cellula eucariotica: l'apparato di Golgi. I ricercatori sperano che possa aiutarli a capire come creare versioni sintetiche di farmaci importanti come l'eparina.
Gli scienziati hanno lavorato per creare una versione sintetica del farmaco, poiché l'attuale metodo di produzione lo rende suscettibile di contaminazione: nel 2008, un tale incidente è stato responsabile della morte di decine di persone. Ma il farmaco si è dimostrato incredibilmente difficile da creare in laboratorio.
Gran parte del mistero della produzione di eparina deriva dal sito della sua sintesi naturale: un organello cellulare chiamato apparato di Golgi, che elabora e confeziona le proteine per il trasporto fuori dalla cellula, decorando le proteine con zuccheri per produrre glicoproteine. Il modo esatto in cui ciò avviene è sfuggito a generazioni di scienziati. Il Golgi è stato scoperto più di 100 anni fa, ma ciò che accade al suo interno è ancora una scatola nera, afferma Robert Linhardt , un biotecnologo di Rensselaer che lavora sull'eparina da quasi 30 anni ed è l'autore principale del nuovo studio. Entrano le proteine, escono le glicoproteine. Conosciamo gli enzimi coinvolti ora, ma non sappiamo davvero come vengono controllati.
Per capire meglio cosa stava succedendo all'interno del Golgi, Linhardt ei suoi colleghi hanno deciso di creare la propria versione. Il risultato: il primo organello cellulare artificiale conosciuto, un piccolo chip microfluidico che imita alcune delle azioni del Golgi. Il dispositivo digitale consente ai ricercatori di controllare il movimento di una singola gocciolina microscopica mentre aggiungono enzimi e zuccheri, separano le goccioline e costruiscono lentamente una catena di molecole come l'eparina. Possiamo essenzialmente controllare il processo, come il Golgi controlla il processo, dice Linhardt. Penso che abbiamo una versione veramente artificiale del Golgi. Potremmo effettivamente progettare qualcosa che funzioni come un organello e controllarlo. Il prossimo passo è creare combinazioni di reazioni più complicate.
Le persone hanno avuto pezzi della cassetta degli attrezzi per produrre questi importanti carboidrati, ma una cosa che dovresti potenzialmente fare è provare a emulare la natura, o almeno capire come funziona, dice Paul De Angelis , un biochimico e biologo molecolare dell'Università dell'Oklahoma che non era coinvolto nella ricerca. La miniaturizzazione che stanno facendo - avere piccole bolle di liquido che si fondono e vanno in diversi compartimenti con catalizzatori diversi in condizioni diverse - è così che funzionano il tuo corpo e l'apparato del Golgi. È un bel modello.
Attualmente, i ricercatori sanno che aspetto ha l'eparina e quali enzimi sono necessari per produrla, ma non lo sanno bene come è fatto. È come avere tutti i materiali e gli strumenti necessari per costruire una casa e sapere come sarà la casa finale, e poi avere qualcuno che dice: 'Ok, vai a costruire la casa', dice Linhardt. Quello di cui abbiamo bisogno è un progetto. Abbiamo bisogno di sapere come funzionano insieme questi strumenti, come è assemblata la casa. Egli paragona il chip di microfluidica a un mulinello fai-da-te per la costruzione di una casa, uno che ci dice come piantare chiodi, come segare, come assemblare montanti, come inserire muri. Analizzando i reagenti in quantità diverse, con tempi di reazione diversi, il il Golgi artificiale potrebbe essere in grado di insegnare loro come sintetizzare l'eparina e altre molecole in un ambiente di laboratorio.
È una fusione di ingegneria e biologia, afferma Jeffrey Esko, un glicobiologo dell'Università della California, a San Diego. Si può farlo in provetta, ma il chip fornisce un modo per automatizzare il processo su microscala. Il chip consente inoltre un controllo preciso su ogni singola interazione e su piccola scala.
Con l'aiuto del loro microchip e sostanziali finanziamenti dal National Institutes of Health, Linhardt crede che dovrebbero essere in grado di portare l'eparina bioingegnerizzata negli studi clinici entro i prossimi cinque anni.