เทคโนโลยี Organ-on-a-Chip เป็นแพลตฟอร์มใหม่ในวงการเทคโนโลยีการแพทย์สมัยใหม่ ที่มุ่งจำลองการทำงานหลักของอวัยวะมนุษย์ในรูปแบบย่อส่วนภายในระบบห้องปฏิบัติการ แทนที่จะศึกษาเซลล์ในจานเพาะเลี้ยงแบบแบนราบตามปกติ นักวิจัยสามารถนำเซลล์ที่มีชีวิตของมนุษย์ไปใส่ไว้ในสภาพแวดล้อมที่ถูกออกแบบทางวิศวกรรมระดับไมโคร
Organ-On-A-Chip (OoC) คือการจำลองโครงสร้างและฟังก์ชันของอวัยวะมนุษย์ลงบนไมโครชิปขนาดเล็ก โดยเลียนแบบสภาพแวดล้อมจริงภายในร่างกายผ่าน ระบบของไหลจุลภาค เพื่อให้เซลล์ตอบสนองเหมือนอยู่ในร่างกายมนุษย์จริง เพื่อจำลองสภาวะทางกายภาพ เคมีและชีวภาพที่สำคัญซึ่งพบได้ภายในร่างกาย
เทคโนโลยีนี้ได้รับความสนใจอย่างมากในด้านการพัฒนายา การวิจัยโรค การแพทย์เฉพาะบุคคล การทดสอบความเป็นพิษ และเวชศาสตร์ฟื้นฟูสภาพ ข้อดีประการสำคัญคือสามารถจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับสภาพแวดล้อมระดับจุลภาค โดยมีความสอดคล้องกับสรีรวิทยาจริงมากกว่าแบบจำลองการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบดั้งเดิมหลายรูปแบบ
แต่แท้จริงแล้ว Organ-on-a-Chip ทำงานอย่างไร? คำตอบขึ้นอยู่กับอวัยวะที่ต้องการจำลองและกลยุทธ์ทางวิศวกรรมที่นำมาใช้ โดยมักมีการผสมผสานกลไกหลักหลายประการเข้าด้วยกันเพื่อจำลองการทำงานให้เหมือนกับอวัยวะจริง
เทคโนโลยี Organ-on-a-Chip คืออะไร?
โดยทั่วไป Organ-on-a-Chip คืออุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ ขนาดเล็กที่บรรจุเซลล์ที่มีชีวิตซึ่งจัดเรียงตัวอยู่ภายในโครงสร้างที่ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรม อุปกรณ์นี้อาจประกอบด้วยช่องทางเดินของเหลวหนึ่งช่องหรือมากกว่า เพื่อให้สารอาหารเลี้ยงเชื้อ สารอาหาร ก๊าซ หรือสารประกอบยาไหลผ่านได้
วัตถุประสงค์ไม่ได้อยู่ที่การสร้างอวัยวะมนุษย์จำลองขนาดเล็กที่สมบูรณ์แบบ แต่เป็นการมุ่งเน้นจำลองการทำงานทางชีวภาพเฉพาะด้านที่สำคัญต่อการศึกษาอวัยวะนั้นๆ
ยกตัวอย่างเช่น Lung-on-a-chip (ปอดบนชิป) อาจจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์เยื่อบุผิวปอดและเซลล์หลอดเลือด ควบคู่ไปกับการสร้างการเคลื่อนไหวทางกลที่เลียนแบบการหายใจ ส่วน Gut-on-a-chip (ลำไส้บนชิป) อาจจำลองการไหลของของเหลวในลำไส้และการเคลื่อนไหวทางกลที่เกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมภายในลำไส้
ดังนั้น แนวคิดหลักจึงอยู่ที่ “การทำงาน (function) มากกว่าแค่โครงสร้าง (structure)” โดยนักวิจัยพยายามจำลองสภาวะทางกายภาพและชีวเคมีที่มีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของเซลล์มนุษย์
1. การไหลของของเหลวระดับไมโคร (Microfluidic Flow)
หนึ่งในกลไกพื้นฐานที่สุดของเทคโนโลยี Organ-on-a-Chip คือการไหลของของเหลวระดับไมโคร (microfluidic flow)
ช่องทางเดินของเหลวระดับไมโคร (microfluidic channels) คือทางผ่านที่มีขนาดเล็กมาก ซึ่งสามารถควบคุมการไหลของของเหลวได้อย่างแม่นยำ นักวิจัยสามารถใช้ปั๊ม ความแตกต่างของความดัน ระบบที่อาศัยแรงโน้มถ่วง หรือกลไกอื่นๆ เพื่อขับเคลื่อนสารอาหารเลี้ยงเชื้อให้ไหลผ่านตัวชิปได้ การไหลเวียนที่ควบคุมได้นี้สามารถให้สารอาหารและออกซิเจนแก่เซลล์พร้อมทั้งกำจัดของเสียจากกระบวนการเผาผลาญ
ที่สำคัญกว่านั้น การเคลื่อนที่ของของเหลวสร้างแรงทางกลที่เซลล์ได้รับตามปกติภายในร่างกายมนุษย์
ตัวอย่างเช่น เซลล์บุผนังหลอดเลือดจะสัมผัสกับแรงเฉือนของของเหลวที่เกิดจากการไหลของเลือดตามธรรมชาติ การจำลองสภาวะนี้ภายในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสามารถช่วยให้เซลล์มีพฤติกรรมคล้ายกับเซลล์หลอดเลือดในร่างกายได้มากขึ้น
ระบบไมโครฟลูอิดิกยังสามารถควบคุม:
อัตราการไหล
ความดันของของเหลว
การส่งสารอาหาร
ความพร้อมใช้งานของออกซิเจน
ความเข้มข้นของยา
เวลาในการสัมผัส
การกำจัดของเสีย
ระดับการควบคุมนี้เป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้แพลตฟอร์ม Organ-on-a-Chip มีประโยชน์สำหรับการศึกษาการตอบสนองทางชีวภาพภายใต้สภาวะไดนามิกมากกว่าสภาวะคงที่
2. ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์
อวัยวะของมนุษย์นั้นแทบจะไม่ประกอบด้วยเซลล์เพียงชนิดเดียว หน้าที่ของอวัยวะขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างเซลล์เยื่อบุผิว เซลล์บุผนังหลอดเลือด เซลล์ภูมิคุ้มกัน เซลล์เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน และประชากรเซลล์เฉพาะทางอื่นๆ
ระบบออร์แกนบนชิปจึงสามารถใช้เซลล์หลายประเภทภายในอุปกรณ์เดียวกันได้
ตัวอย่างเช่น ชิปจำลองเยื่อกั้นเลือด-สมอง อาจวางเซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดสมองไว้ข้างๆ เซลล์สนับสนุนเพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของสารต่างๆ ผ่านเยื่อกั้นนั้น
ในทำนองเดียวกัน ชิปจำลองตับสามารถรวมเซลล์ตับเข้ากับเซลล์กลุ่มอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญและการส่งสัญญาณของตับได้
โครงสร้างของชิปสามารถแยกเซลล์กลุ่มต่างๆ ออกจากกันทางกายภาพ ในขณะที่ยังคงอนุญาตให้สัญญาณเคมีและเมตาบอไลต์เคลื่อนที่ระหว่างกันได้
กลไกนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถศึกษาการสื่อสารระหว่างเซลล์ ซึ่งยากที่จะจำลองได้โดยใช้การเพาะเลี้ยงเซลล์ประเภทเดียว
3. เมทริกซ์นอกเซลล์และสภาพแวดล้อมจุลภาคสามมิติ
โดยปกติเซลล์จะไม่เจริญเติบโตบนพื้นผิวพลาสติกเรียบ ในร่างกายมนุษย์ เซลล์จะอยู่ภายในเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) สามมิติ ซึ่งให้สัญญาณทางโครงสร้างและชีวเคมี
ดังนั้น ระบบออร์แกนบนชิปจำนวนมากจึงใช้ไฮโดรเจล คอลลาเจน ไฟบริน หรือวัสดุชีวภาพอื่นๆ เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมของเซลล์ที่สมจริงยิ่งขึ้น
เมทริกซ์สามารถส่งผลต่อ:
การยึดเกาะของเซลล์
รูปร่างของเซลล์
การเคลื่อนที่ของเซลล์
การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์
การจัดระเบียบเนื้อเยื่อ
การส่งสัญญาณของเซลล์
โดยการควบคุมคุณสมบัติทางกายภาพของเมทริกซ์ นักวิจัยสามารถตรวจสอบได้ว่าการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมจุลภาคของเซลล์ส่งผลต่อความคืบหน้าของโรคหรือการตอบสนองต่อการรักษาอย่างไร
เรื่องนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวิจัยโรคมะเร็ง เนื่องจากสภาพแวดล้อมจุลภาคของก้อนมะเร็ง (tumor microenvironment) สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเจริญเติบโตและการตอบสนองต่อยาของเซลล์มะเร็ง
4. การกระตุ้นด้วยแรงทางกล
อีกกลไกหนึ่งที่สำคัญคือการใช้แรงทางกลที่สามารถควบคุมได้
เนื้อเยื่อของมนุษย์ต้องเผชิญกับแรงทางกล ปอดมีการขยายและหดตัว หัวใจเต้น เลือดไหลเวียนผ่านหลอดเลือด และทางเดินอาหารมีการเคลื่อนไหว
เทคโนโลยี Organ-on-a-Chip สามารถจำลองสภาวะทางกลเหล่านี้บางส่วนได้
Lung-on-a-Chip (ปอดบนชิป)
แบบจำลองปอดอาจใช้แผ่นเยื่อที่ยืดหยุ่นและเคลื่อนไหวเป็นจังหวะเพื่อจำลองการยืดตัวที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ
สิ่งนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถศึกษาการตอบสนองของเนื้อเยื่อปอดต่อแรงเค้นทางกล การอักเสบ อนุภาคในสิ่งแวดล้อม หรือสารประกอบทางเภสัชกรรม
Heart-on-a-Chip (หัวใจบนชิป)
แบบจำลองหัวใจอาจใช้เซลล์หัวใจที่ถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าหรือเนื้อเยื่อที่ผ่านการวิศวกรรมขึ้นมาซึ่งสามารถหดตัวเป็นจังหวะได้ จากนั้นนักวิจัยสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของการหดตัว กิจกรรมทางไฟฟ้า หรือการตอบสนองต่อยา
Gut-on-a-Chip (ลำไส้บนชิป)
แบบจำลองลำไส้อาจผสมผสานการไหลของของเหลวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างทางกลที่ควบคุมได้ เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมภายในทางเดินอาหาร
การกระตุ้นทางกลมีความสำคัญเนื่องจากเซลล์อาจมีการตอบสนองที่แตกต่างกันเมื่อได้รับแรงทางกล เมื่อเทียบกับสภาวะในห้องปฏิบัติการที่อยู่นิ่งสนิท
5. ความแตกต่างของระดับความเข้มข้น (Concentration Gradients)
อุปกรณ์ Organ-on-a-Chip ยังสามารถสร้างระดับความเข้มข้นที่แตกต่างกัน (gradient) ของสารเคมี สารอาหาร ออกซิเจน หรือยา ได้อย่างแม่นยำและควบคุมได้
ความแตกต่างของระดับความเข้มข้นเกิดขึ้นเมื่อปริมาณของสารมีการเปลี่ยนแปลงไปตามระยะทางที่กำหนด
กลไกนี้สามารถนำมาใช้เพื่อศึกษากระบวนการทางชีวภาพต่างๆ เช่น:
ภาวะขาดออกซิเจน
การแพร่ของยา
การเคลื่อนที่ของเซลล์
การกระจายตัวของสารอาหาร
สัญญาณการอักเสบ
การเติบโตของเนื้องอก
ตัวอย่างเช่น นักวิจัยสามารถกำหนดระดับออกซิเจนที่แตกต่างกันในแบบจำลองเนื้อเยื่อเพื่อศึกษาว่าเซลล์ตอบสนองอย่างไรต่อสภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ (hypoxic conditions)
เนื่องจากสามารถควบคุมสภาพแวดล้อมระดับจุลภาค (microenvironment) ได้อย่างละเอียด นักวิจัยจึงสามารถศึกษาการตอบสนองทางชีวภาพที่อาจแยกศึกษาได้ยากในการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบดั้งเดิม
6. การจำลองชั้นกั้นเนื้อเยื่อ (Tissue Barrier Modeling)
อวัยวะหลายชนิดมีชั้นกั้นที่มีคุณสมบัติคัดเลือกสารผ่าน (highly selective barriers) ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของสารต่างๆ
ตัวอย่างเช่น:
ชั้นกั้นระหว่างเลือดและสมอง (Blood–brain barrier)
ชั้นกั้นของลำไส้
ชั้นกั้นระหว่างอากาศและเลือดในปอด
ชั้นกั้นสำหรับการกรองของไต
ชั้นกั้นของหลอดเลือด
แพลตฟอร์ม Organ-on-a-Chip สามารถจำลองรอยต่อหรือชั้นกั้นเหล่านี้ได้โดยใช้ชั้นเซลล์เฉพาะทางและช่องทางไหลของของเหลวขนาดจิ๋ว (microfluidic channels)
ตัวอย่างเช่น ชิปลำไส้อาจประกอบด้วยชั้นเซลล์เยื่อบุผิว (epithelial layer) ที่กั้นระหว่างสภาพแวดล้อมภายในลำไส้กับช่องทางเดินของหลอดเลือด จากนั้นนักวิจัยสามารถตรวจสอบได้ว่ายาหรือสารอาหารสามารถผ่านชั้นกั้นนี้ไปได้หรือไม่ และเนื้อเยื่อมีการตอบสนองอย่างไร สิ่งนี้ทำให้แบบจำลองชนิดที่มีชั้นกั้น (barrier models) มีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการวิจัยทางเภสัชกรรมและพิษวิทยา
7. การติดตามผลแบบเรียลไทม์
ข้อได้เปรียบสำคัญของแพลตฟอร์ม Organ-on-a-Chip หลายรูปแบบคือความสามารถในการติดตามการตอบสนองทางชีวภาพได้อย่างต่อเนื่อง
การทดลองแบบดั้งเดิมมักกำหนดให้นักวิจัยต้องนำตัวอย่างออกมาตรวจวัด ณ ช่วงเวลาที่กำหนดไว้ แต่ในทางตรงกันข้าม ชิปขั้นสูงบางชนิดมีการติดตั้งเซ็นเซอร์หรือระบบติดตามด้วยแสงที่สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงได้ในขณะที่การทดลองกำลังดำเนินอยู่
ขึ้นอยู่กับการออกแบบ เซ็นเซอร์อาจทำหน้าที่ติดตามข้อมูลต่างๆ เช่น:
ระดับออกซิเจน
ค่า pH
กิจกรรมทางไฟฟ้า
สารเมตาโบไลต์ (สารที่เกิดจากกระบวนการเผาผลาญ)
ความสามารถในการซึมผ่านของชั้นกั้น (barrier permeability)
ความมีชีวิตของเซลล์
แรงทางกล
สารบ่งชี้ทางชีวภาพ (biomarkers) ที่ถูกหลั่งออกมา
สิ่งนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถสังเกตการตอบสนองของเนื้อเยื่อเมื่อเวลาผ่านไป แทนที่จะต้องพึ่งพาเพียงแค่การวัดผลก่อนและหลังการทดลองเท่านั้น
8. การสื่อสารระหว่างอวัยวะ
ระบบที่มีความซับซ้อนมากขึ้นสามารถเชื่อมต่อแบบจำลองเนื้อเยื่อหลายชนิดเข้าด้วยกัน เพื่อสร้างแพลตฟอร์มแบบหลายอวัยวะ (multi-organ) หรือแบบจำลองร่างกายจำลองบนชิป (body-on-a-chip)
แนวคิดพื้นฐานคือการหมุนเวียนของเหลวเลี้ยงเซลล์ร่วมกันระหว่างช่องบรรจุแบบจำลองอวัยวะต่างๆ
ตัวอย่างเช่น ระบบอาจเชื่อมต่อแบบจำลองที่แสดงถึง:
ลำไส้ → ตับ → ระบบไหลเวียนโลหิต → ไต
สารที่ถูกดูดซึมโดยแบบจำลองลำไส้อาจเคลื่อนที่ไปยังแบบจำลองตับ ซึ่งสารนั้นอาจถูกเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมี (metabolized) จากนั้นสารเมตาโบไลต์ที่เกิดขึ้นอาจเคลื่อนที่ต่อไปยังแบบจำลองไต
แนวทางนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการพัฒนายา เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วยาไม่ได้ส่งผลกระทบต่ออวัยวะเพียงส่วนเดียว
นักวิจัยสามารถศึกษาทั้งกระบวนการดูดซึม การเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมี การกระจายตัว และความเป็นพิษของยาได้ภายในระบบการทดลองที่เชื่อมโยงถึงกันนี้
9. การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าและชีวเคมี
อวัยวะบางชนิดต้องอาศัยสัญญาณไฟฟ้าหรือการกระตุ้นทางชีวเคมีอย่างมากในการทำงาน
ยกตัวอย่างเช่น เนื้อเยื่อหัวใจและเนื้อเยื่อประสาทมีกิจกรรมทางไฟฟ้าซึ่งมีบทบาทสำคัญต่อการทำงานตามปกติของเนื้อเยื่อเหล่านั้น
ระบบ Organ-on-a-Chip สามารถติดตั้งขั้วไฟฟ้าหรือระบบกระตุ้นที่ควบคุมได้ เพื่อจำลองลักษณะของสัญญาณทางชีวภาพเหล่านี้
ในแบบจำลองหัวใจ การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าสามารถช่วยประสานจังหวะการหดตัวของกล้ามเนื้อหัวใจให้พร้อมเพรียงกันได้
ในแบบจำลองระบบประสาท สามารถใช้อินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าเพื่อศึกษาการทำงานและการสื่อสารของเซลล์ประสาท
การผสมผสานการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าเข้ากับสัญญาณทางชีวเคมีสามารถสร้างสภาพแวดล้อมที่จำลองสภาวะทางสรีรวิทยาได้สมจริงยิ่งขึ้นสำหรับการศึกษาเนื้อเยื่อที่มีความซับซ้อน
10. เซลล์จากผู้ป่วยและแบบจำลองเฉพาะบุคคล
หนึ่งในกลไกที่มีศักยภาพสูงคือการใช้เซลล์ที่ได้จากผู้ป่วยแต่ละราย
นักวิจัยสามารถนำเซลล์จากผู้ป่วย ซึ่งรวมถึงเซลล์ที่ได้จากเทคโนโลยีสเต็มเซลล์ มาใช้ในการสร้างแบบจำลองเนื้อเยื่อเฉพาะบุคคลได้ สิ่งนี้ทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการพัฒนาเทคโนโลยี Organ-on-a-Chip ที่จำเพาะต่อผู้ป่วยแต่ละราย
ยกตัวอย่างเช่น นักวิจัยเทคโนโลยี Organ-on-a-Chip สามารถตรวจสอบการตอบสนองของเนื้อเยื่อจากผู้ป่วยรายใดรายหนึ่งต่อยาตัวต่างๆ ภายใต้สภาวะควบคุมในห้องปฏิบัติการได้
แนวทางนี้สามารถสนับสนุนการแพทย์แม่นยำ (Precision Medicine) โดยช่วยให้นักวิจัยเข้าใจว่าเหตุใดผู้ป่วยที่มีการวินิจฉัยโรคเดียวกันจึงอาจตอบสนองต่อการรักษาแตกต่างกัน
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยี Organ-on-a-Chip ที่ปรับให้เหมาะสมกับแต่ละบุคคลยังคงเป็นสาขาการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ และไม่ควรตีความว่าเป็นการทดแทนการทดสอบทางคลินิกอย่างเต็มรูปแบบ
เหตุใด Organ-on-a-Chip จึงมีความสำคัญในเทคโนโลยีการแพทย์สมัยใหม่?
ร่างกายมนุษย์เป็นระบบที่มีพลวัต เซลล์ต่างๆ มีปฏิสัมพันธ์กับของเหลวที่ไหลเวียน แรงทางกล เซลล์ข้างเคียง สัญญาณทางชีวเคมี และระดับออกซิเจนที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา
แบบจำลองในห้องปฏิบัติการแบบดั้งเดิมสามารถจำลองสภาวะเหล่านี้ได้บางส่วน แต่ก็มักจะลดทอนความซับซ้อนของสภาพแวดล้อมทางชีวภาพ
เทคโนโลยี Organ-on-a-Chip พยายามเชื่อมช่องว่างส่วนหนึ่งนี้โดยการรวม:
เซลล์มีชีวิต + ไมโครฟลูอิดิกส์ + วัสดุชีวภาพ + การกระตุ้นทางกล + เซ็นเซอร์ + สภาพแวดล้อมทางชีวภาพที่ควบคุมได้
การผสมผสานนี้สามารถมอบแพลตฟอร์มการทดลองที่มีประสิทธิภาพให้กับนักวิจัยได้
การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ ได้แก่:
การพัฒนายา
นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจสอบผลของยา การตอบสนองของเนื้อเยื่อ การเผาผลาญ และความเป็นพิษที่อาจเกิดขึ้น ก่อนที่จะก้าวไปสู่ขั้นตอนการพัฒนาในภายหลัง
การจำลองโรค
ระบบออร์แกนออนอะชิปสามารถจำลองลักษณะเฉพาะของโรคต่างๆ เช่น มะเร็ง โรคอักเสบ โรคหัวใจและหลอดเลือด และโรคทางระบบประสาท
พิษวิทยา
นักวิจัยสามารถศึกษาว่าสารเคมีหรือสารประกอบทางเภสัชกรรมส่งผลต่อเนื้อเยื่อของมนุษย์อย่างไรภายใต้สภาวะควบคุม
การแพทย์เฉพาะบุคคล
เซลล์ที่ได้จากผู้ป่วยอาจช่วยให้นักวิจัยสร้างแบบจำลองที่แสดงถึงลักษณะเฉพาะบางอย่างของผู้ป่วยแต่ละรายได้
การแพทย์ฟื้นฟู
เทคโนโลยีนี้ยังช่วยให้นักวิจัยศึกษาว่าเซลล์จัดระเบียบ สื่อสาร และตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมที่ได้รับการออกแบบอย่างไร
ออร์แกนออนอะชิปเทียบกับการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบดั้งเดิม
การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบดั้งเดิมยังคงเป็นวิธีการวิจัยที่สำคัญ แต่การเพาะเลี้ยงแบบดั้งเดิมมักใช้เซลล์ที่ปลูกบนพื้นผิวที่ค่อนข้างเรียบภายใต้สภาวะคงที่
แพลตฟอร์มออร์แกนบนชิปสามารถเพิ่มตัวแปรเพิ่มเติมได้ เช่น การไหลของของเหลว โครงสร้างสามมิติ แรงทางกล เซลล์หลายชนิด และส่วนต่อประสานของเนื้อเยื่อ
ความแตกต่างสามารถสรุปได้ในเชิงแนวคิดดังนี้:
การเพาะเลี้ยงแบบดั้งเดิม: เซลล์ในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการที่ควบคุมได้
ออร์แกนบนชิป: เซลล์ในสภาพแวดล้อมที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมระดับไมโคร เพื่อจำลองสภาวะทางสรีรวิทยาที่เลือกไว้
ทั้งสองวิธีนี้ไม่เหมาะสมกับทุกการทดลอง นักวิจัยจึงเลือกแบบจำลองตามคำถามทางชีววิทยาที่พวกเขาต้องการหาคำตอบ
ความท้าทายและข้อจำกัด
แม้จะมีศักยภาพ แต่เทคโนโลยีออร์แกนบนชิปยังคงเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญ
ความท้าทายประการหนึ่งคือการกำหนดมาตรฐาน ห้องปฏิบัติการต่างๆ อาจใช้การออกแบบชิป วัสดุ แหล่งที่มาของเซลล์ สภาวะการไหล และวิธีการวัดที่แตกต่างกัน
อีกประเด็นหนึ่งคือความซับซ้อนทางชีววิทยา แม้แต่ชิปที่ซับซ้อนก็จำลองได้เพียงบางส่วนของอวัยวะมนุษย์เท่านั้น อวัยวะจริงประกอบด้วยเซลล์หลายชนิด หลอดเลือด ปฏิสัมพันธ์ของระบบภูมิคุ้มกัน สัญญาณประสาท การควบคุมฮอร์โมน และการเชื่อมต่อระบบต่างๆ
การผลิต การบำรุงรักษาเนื้อเยื่อที่มีชีวิต การบูรณาการเซนเซอร์ และการจำลองสภาวะการทดลองที่สม่ำเสมอ อาจเป็นเรื่องที่ต้องใช้ทักษะทางเทคนิคสูง
นอกจากนี้ หลักฐานจากแบบจำลองออร์แกนบนชิปยังต้องการการตรวจสอบความถูกต้องที่เหมาะสมก่อนที่จะถือว่าเทียบเท่ากับหลักฐานทางคลินิกได้
อนาคตของเทคโนโลยีออร์แกนบนชิป
การพัฒนาในอนาคตมีแนวโน้มที่จะมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มความซับซ้อนทางชีวภาพ ในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงความสามารถในการทำซ้ำและการทำงานอัตโนมัติ
นักวิจัยกำลังสำรวจการผสมผสานระบบออร์แกนบนชิปกับปัญญาประดิษฐ์ การถ่ายภาพขั้นสูง ไบโอเซนเซอร์ เนื้อเยื่อที่ได้จากสเต็มเซลล์ การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ และระบบห้องปฏิบัติการอัตโนมัติ
อีกทิศทางที่สำคัญคือการพัฒนาแพลตฟอร์มหลายออร์แกนที่เชื่อมต่อกันซึ่งสามารถจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างเนื้อเยื่อหลายชนิดได้
เมื่อเทคโนโลยีเหล่านี้พัฒนาขึ้น ระบบออร์แกนบนชิปอาจมีประโยชน์มากขึ้นในฐานะเครื่องมือเสริมสำหรับการวิจัยทางชีวการแพทย์และการพัฒนายา
ออร์แกนออนอะชิปเป็นเทคโนโลยีทางการแพทย์สมัยใหม่ที่ผสมผสานวิศวกรรมขนาดเล็ก ชีววิทยาของเซลล์ วัสดุชีวภาพ ระบบของเหลว และเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ เพื่อจำลองการทำงานบางส่วนของอวัยวะมนุษย์ในระบบห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก
กลไกการทำงานหลัก ได้แก่ การไหลของของเหลวในระดับไมโคร การปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์ สภาพแวดล้อมเมทริกซ์นอกเซลล์แบบสามมิติ การกระตุ้นทางกล การไล่ระดับความเข้มข้น การจำลองเยื่อกั้นเนื้อเยื่อ การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ การสื่อสารระหว่างอวัยวะ และการกระตุ้นทางไฟฟ้าหรือชีวเคมี