Orgāni uz čipa

Anda Asere

Labs of Latvia, speciāli Forbes

• Foto: Edmunds Brencis

Uzņēmums Cellbox Labs attīsta tā saucamo orgāni uz čipa tehnoloģiju – tās ir miniatūras orgānu replikas ārpus cilvēka ķermeņa jeb in vitro testa modeļi, ko var izmantot dažādu bioloģisko procesu un zāļu testēšanā. Par čipu šo ierīci sauc tāpēc, ka tās izgatavošanā tiek izmantotas pusvadītāju tehnoloģijas – tāpat kā telefonā, kur mikroshēmas tiek sauktas par čipiem. Cellbox Labs gadījumā tas ir kredītkartes izmēra plastmasas čips, kurā cits virs cita novietoti mikrokanāli, kas ir ļoti mazi – no 200 mikroniem līdz vienam milimetram. Starp šiem kanāliem ir puscaurlaidīga membrāna, kas atdarina cilvēka orgānu sieniņas. Čipā ir divi kanāli, no kuriem viens imitē orgāna audus, otrs – asinsvadus. Pievienojot speciālu šķidrumu plūsmu, uz šūnām tiek izdarīts spiediens un tās tiek barotas. Arī šūnu atkritumvielu izvadīšanas process notiek līdzīgi kā cilvēka organismā.

Lai gan tehnoloģiju sauc orgāns uz čipa, tā nav pilnvērtīga orgāna kopija ar visiem asinsvadiem, bet gan neliela tā daļiņa, kas atspoguļo visu orgānu. “Pilna kopija būtu pārāk sarežģīta, turklāt, lai noteiktu, vai viela būs šūnām toksiska, vienmēr nemaz nevajag tik komplicētu modeli. Pietiek radīt tuvus apstākļus tam, kā šūna uzvedas organismā, nevis replicēt visu zarnu vai mikrobiotu,” skaidro Cellbox Labs līdzdibinātājs Gatis Mozoļevskis.

Toksicitāte un efektivitāte ir vieni no svarīgākajiem faktoriem, kas tiek ņemti vērā, lemjot par labu kāda medikamenta tālākai attīstībai. Lai cik lielisks būtu medikaments un tā iedarbība, zāles nenonāks pie pacientiem, ja tās būs toksiskas. “Orgāni uz čipa ir lētāks, precīzāks un efektīvāks veids, kā noteikt medikamentu toksicitāti,” saka Gatis. Piemēram, ja testi ar dzīvniekiem rāda, ka zāles ir toksiskas, orgāni uz čipa ļauj par to pārliecināties, neriskējot ar cilvēku un vienlaikus nenorakstot ideju par jauno medikamentu, jo dzīvnieki un cilvēki ļoti atšķiras – reizēm tas, kas ir toksisks dzīvniekam, cilvēkam nekaitē. Tāpat atšķiras dzīvnieku un cilvēka orgāni, jo īpaši zarnas un gremošanas sistēma. Tāpēc pirmais produkts, ko izstrādājis Cellbox Labs, ir zarna uz čipa.

Ideja par orgāniem uz čipa Cellbox Labs dibinātājiem Gatim Mozoļevskim, Artūram Ābolam un Robertam Rimšam pirmo reizi radās 2019. gadā. Tolaik Latvijas Biomedicīnas pētījumu un studiju centrs, kur strādāja Artūrs, sāka sadarboties ar Latvijas Universitātes Cietvielu un fizikas institūtu, kur savukārt strādāja Gatis un Roberts. Latvijas Biomedicīnas pētījumu un studiju centra speciālisti strādāja ar vēža biomarķieriem un bija dzirdējuši par orgāniem uz čipa, bet Cietvielu un fizikas institūta zinātniekiem bija zināšanas par mikrofluīdiku, kas ir nepieciešama čipu ražošanai bioloģijas vajadzībām. Ātri vien viņi saprata, ka šai idejai ir liels komerciāls potenciāls. Cellbox Labs iegādājās tiesības uz patentu Latvijas Universitātes Cietvielu Fizikas institūta izstrādātajai tehnoloģijai, kas nodrošina iespēju ātrāk, lētāk un efektīvāk testēt zāļu toksicitāti un efektivitāti pirmsklīnisko pētījumu stadijā.

Cellbox Labs bāze ir Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā, kur ir modernas laboratorijas un komandai nepieciešamais aprīkojums. Pašlaik uzņēmuma pamatkomandā ir astoņi cilvēki, bet kopā ar partneriem, kas palīdz dažādās jomās, iesaistīto loks ir divreiz lielāks. “Mums ir multidisciplināra komanda ar pieredzi ierīču izstrādē, mikrofluīdikā, bioloģijā un mehānikā,” lepojas Gatis. Turklāt komandā ir speciālisti ne vien no Latvijas, bet arī no Rietumeiropas – ir izdevies piesaistīt augstas klases talantus no Vācijas un Francijas, kas ir pārcēlušies uz Latviju. “Mani aizrauj iespēja strādāt ar augstākā līmeņa tehnoloģijām, turklāt tas ir iespējams tepat Rīgā,” saka Gatis.

Līdz šim Cellbox Labs kopā ar partneriem – Latvijas Biomedicīnas pētījumu un studiju centru un Elektronikas un datorzinātņu institūtu – ir piesaistījis Eiropas Reģionālās attīstības fonda finansējumu trijos projektos – kopā 1,5 miljonus eiro. Uzņēmums strādā arī pie riska kapitāla piesaistes.

Pirmo čipu sēriju Cellbox Labs ir izgatavojis, izmantojot spiedliešanas tehnoloģiju. “Spiedliešana ir masveida ražošanas tehnoloģija, kas nodrošina vairākus plusus – var ražot lielā apjomā par zemāku cenu un iegūt augstāku precizitāti. Šīs metodes izmantošana šajā nozarē ir novitāte,” Gatis paskaidro.

Pirmo sēriju var uzskatīt par prototipu, ko komanda testē, paši audzējot orgānus un pārbaudot, kā tie strādā. Pēc veiktajiem uzlabojumiem gada otrajā pusē iecerēts ražot nākamo sēriju, ko jau varēs piedāvāt klientiem komerciāli.

Cellbox Labs plāno pārdot tukšus čipus. “Mēs pārdosim tukšus čipus bez šūnām, uz kuriem klienti pēc mūsu protokola paši varēs audzēt orgānus, izmantojot sev pieejamos šūnu avotus, un pētīt, kā tie reaģē uz viņu radītajiem medikamentiem,” saka Gatis. Tāpat būs iespēja piegādāt klientiem jau gatavus zarnu uz čipa modeļus saldētā veidā. Tādējādi klienti nopirktu laiku un varētu uzreiz pēc atkausēšanas ķerties pie modeļu izmantošanas un eksperimentiem.

Cik tāla nākotne šī ir? Gatis apgalvo, ka pavisam tuva. “Jau nākamā gada laikā plānojam sākt tirgot čipus. Nepaies ne pieci gadi, kad teju katrā universitātē un farmācijas uzņēmumā izmantos orgānu uz čipa tehnoloģijas. Laika jautājums, kad izmantos tieši mūsu tehnoloģiju.”

Uzņēmums piedāvā arī ar līgumpētījumus, veicot pētījumus citiem uzņēmumiem ar Cellbox Labs attīstītajiem orgāniem uz čipa. Šāda vajadzība ir daudziem maziem un inovatīviem farmācijas uzņēmumiem, kam nav savu laboratoriju. Gatis uzsver: “Lai cik labs būtu mūsu orgāns uz čipa, neviens to nepirks, ja neredzēs pierādījumus, ka tas tiešām strādā. Tāpēc līgumpētījumi mums palīdz ieiet tirgū.”

Arī citi uzņēmumi ražo orgānus uz čipa. Lai gan pirmais uzņēmums šajā nozarē sāka strādāt tikai pirms desmit gadiem, tagad šajā jomā ir jau vairāk nekā 20 uzņēmumu. Ziemeļeiropā ir tikai divi šīs nozares spēlētāji – Cellbox Labs un Finnadvance no Somijas. Latvijas uzņēmums atšķiras ar to, ka tā orgāni uz čipa neabsorbē zāles, nelaiž cauri skābekli, un arī cena ir saprātīga. “Cik man zināms, nevienam citam nav šāda komplekta. Nav nevienas publikācijas par tādu komplektu, un arī nozares cilvēki par ko tādu nav dzirdējuši,” apgalvo Gatis.

Orgāns uz čipa ir gatavs izmantošanai tad, kad šūnas ir izaudzētas. Gatavību pārbauda ar transepitēlija-endotēlija pretestības mērījumiem un citām bioloģijā izmantotām metodēm, ko pagaidām veic manuāli. Biologi ar doktora grādu katru dienu pavada vairākas stundas, lai uzņemtu attēlus optiskajā mikroskopā un izsekotu, kā veidojas orgāni uz čipa. Akadēmiskajā pasaulē šo uzdevumu bieži vien uztic studentiem, bet uzņēmumiem tās ir lielas izmaksas, turklāt arī precizitāte ir apšaubāma. “Industrijā ir svarīgi, lai tas tiktu darīts automātiski, tādējādi palielinot gan rezultāta kvalitāti, gan samazinot potenciālo kļūdu skaitu. Mēs strādājam pie tā, lai šo procesu padarītu automātisku. Lielākais ieguvums šajā procesā būs laiks. Zāļu izstrāde ir dārgs un ilgs process – jo ātrāk to var veikt un mazāk laika darbiniekiem būs jāiegulda eksperimentos, jo izdevīgāk,” Gatis saka.

Tāpēc Cellbox Labs izstrādā instrumentu, kam šis uzdevums būs pa spēkam. Pašlaik komanda testē šīs ierīces prototipu. Iecerēts, ka nākamgad uzņēmums saviem klientiem sāks sniegt ārpakalpojumus, kas veikti uz šīm ierīcēm. Gatis paskaidro: “Pirms ierīce kļūst par nozares standartu, uzņēmumi vēlas redzēt pierādījumus, ka tā tiešam strādā. Kad potenciālie klienti būs par to pārliecināti, tie būs gatavi to pirkt un izmantot savā laboratorijā.” To var salīdzināt ar auto testa braucienu vai kosmētikas paraudziņiem – neviens nepērk dārgu preci, ja vien nav pārliecinājies par tās piemērotību savai vajadzībai.

Pēdējā gadsimta laikā, vēl jo vairāk – pēdējos desmit gados – farmācijā ir noticis milzīgs progress. Jau tagad ir iespējams cīnīties ar slimībām, par kuru ārstēšanu vēl pirms 30 gadiem nevarēja pat sapņot. “Tas, ko mēs darām, padarīs zāļu izstrādi pieejamāku, tādējādi kopumā uzlabojot sabiedrības veselību un ārstēšanas pieejamību. Viena no svarīgākajām ietekmēm lielākā mērogā ir tā, ka būs zāles arī retākām slimībām, kurām medikamentu izstrāde ir dārgāka nekā plaši izplatītām slimībām. Savukārt lielie uzņēmumi zāles varēs izstrādāt ātrāk un lētāk. Rezultātā mēs kā pircēji aptiekā jaunas zāles varēsim nopirkt jau pēc pieciem gadiem, nevis desmit. Un tās maksās lētāk,” sola Gatis.

Orgānu uz čipa nozare strauji attīstās. Nesen Cellbox Labs piedalījās specializētajā mikrofizioloģisko sistēmu konferencē MPS Summit 2023, kur visi runāja tikai un vienīgi par organoīdiem, orgāniem uz čipa un citām komplicētām in vitro pētniecības metodēm. Pērn konferencē bija 700 dalībnieku, šogad jau 1300. Gatis paredz, ka nozare arī turpmāk attīstīsies tikpat straujā tempā. To veicina arī apstāklis, ka ASV Pārtikas un zāļu pārvalde pērn gada beigās pieņēma noteikumus, kas atļauj pirmsklīniskajos pētījumos izmantot ne tikai dzīvniekus, bet arī citas metodes. Kopš 1938. gada bija atļauta tikai dzīvnieku izmantošana. “Šis solis ir licis sarosīties visiem, kas neizmantoja vai bija skeptiski par orgānu uz čipa tehnoloģijas izmantošanu. Tagad vārti ir vaļā,” Gatis spriež. Savukārt tie farmācijas uzņēmumi, kas jau izmantoja šo metodi, darīs to vēl aktīvāk. Paredzama arī jaunu spēlētāju ienākšana tirgū.

Gatis domā, ka nākotnē orgānus uz čipa izmantos vēža pētniecībā un personalizētajā medicīnā, lai atrastu konkrētam cilvēkam piemērotāko terapiju. “Pēc onkoloģiskas operācijas varētu notestēt vairākus ķīmijterapijas veidus uz orgāniem uz čipa, tādējādi samazinot ārstēšanās laikā nepieciešamo zāļu daudzumu vai samazinot risku, ka terapija nebūs efektīva. Tas būtu lielisks pielietojums orgāniem uz čipa.”

Gatis pieļauj, ka nākotnē katrs varēs uztaisīt savu orgānu čipus, glabāt tos speciālā bankā un, kad radīsies vajadzība pēc nopietnākas ārstēšanas, ārsts varēs uz čipa pārbaudīt un piemeklēt piemērotākās zāles, nevis izmēģinājuma kārtā dot dažādus medikamentus pašam cilvēkam. Grūti gan pateikt, kad tas varētu notikt, bet tuvāko trīs gadu laikā tas noteikti nebūs. “Vienā no mūsu Eiropas projektiem plaušu vēža pacientiem operācijas laikā tiek paņemts audu paraugs, no kā tiek uzaudzēti personalizēti plaušu vēža čipi, kur mēs pētām, kā efektīvāk nogādāt zāles uz vēža šūnām,” Gatis min piemēru, kā tas darbojas.

Orgāni uz čipa ietekmēs arī pārtikas ražošanu, tāpat tie var palīdzēt kosmosa nozarē. Kad astronauti lido kosmosā, viņi saskaras ar dažādiem fizioloģiskiem izaicinājumiem, piemēram, gremošanas sistēma nestrādā tikpat labi kā uz Zemes un viņiem ir jālieto speciāli probiotiķi. Orgāni uz čipa varētu palīdzēt atrast piemērotākās kombinācijas.

Pagaidām uzņēmumā Cellbox Labs ir izstrādāts zarnas uz čipa un mikrobiotas uz čipa modelis, un komanda strādā pie vēža modeļa plaušai uz čipa. Nākamais produkts būs smadzeņu hematoencefālā barjera. “Šai barjerai ir gan plusi, gan mīnusi – tā neļauj dažādiem toksīniem iekļūt smadzenēs, bet vienlaikus tā nelaiž cauri arī zāles. Šī iemesla dēļ ir grūtāk pētīt un ārstēt dažādas neirodeģeneratīvās slimības, piemēram, Alcheimera un Parkinsona slimību,” skaidro Gatis.

Tāpat plānots izstrādāt aknas uz čipa. Arī šis ir svarīgs orgāns, lai pētītu jaunu medikamentu toksicitāti. Vēl tālāks sapnis ir izstrādāt orgānu sistēmas, lai redzētu zāļu iedarbību plašāk nekā tikai zarnās vai plaušās. Gatis uzskata, ka pēc trim gadiem Cellbox Labs būs pilnvērtīgi ražojošs uzņēmums, kas pārdos čipus gan zinātniekiem, gan lieliem farmācijas uzņēmumiem.

Eksperta viedoklis:

Maksims Jegorovs 

Accenture vadītājs Baltijā

Atgriezeniskā saite daudz ātrāk

Prieks par Cellbox Labs attīstību un to, ka varam būt inovatīvi ne tikai IT nozarē, bet aptvert arī citas jomas. Latvijas jaunuzņēmumiem jau no pirmās dienas ir jādomā globāli. Vienīgais veids konkurences cīņā ir atrast nišas un jomas, kurās varam būt unikāli vai labāki, ar ko varam izcelties.

Covid-19 pandēmija radīja globālu spiedienu, pasteidzinot jauninājumu ieviešanu. mNRA vakcīnas tika izstrādātas nepieredzētā ātrumā, galvenokārt pateicoties datorimunoloģijas attīstībai, kā arī virtuālās komunikācijas un sadarbības tehnoloģijām. Šie sasniegumi parādīja, ka atgriezeniskā saite starp zinātni un tehnoloģijām var būt daudz ātrāka, nekā redzējām iepriekš. Pasaule saskaras ar nepieredzētām problēmām medicīnā, piegādes ķēdēs un klimata pārmaiņu jomā, un ir nepieciešami labāki un ātrāki zinātnes un tehnoloģiju risinājumi. Turpmāk organizācijas un uzņēmumi ar zinātniekiem sadarbosies daudz ciešāk ne tikai valstiskā līmenī, bet arī starptautiskā mērogā, meklējot jaunas pieejas un risinājumus. Nākotnē mākslīgais intelekts palīdzēs veidot dažādus prototipus, lai varētu pārliecināties par idejas dzīvotspēju un risinājuma efektivitāti pirms ražošanas procesa.

Tiesa, pārorientēties uz jaunu zinātnes periodu un kopumā tehnoloģiju paātrinājumu dažādās nozarēs un jomās nebūs viegls uzdevums, jo būs nepieciešama dziļa izpratne, izpēte, skaidrošanas darbs utt.  Tomēr sagaidāms, ka jauni tehnoloģiskie sasniegumi skaitļošanas, biotehnoloģiju jomā virzīs materiālzinātni, kā arī sintētisko bioloģiju, un tas savukārt transformēs tehnoloģijas. Piemēram, ieviešot kvantu skaitļošanu, ķīmiķi varēs veikt sarežģītākas un precīzākas molekulārās simulācijas nekā jebkad agrāk, veicinot jaunu materiālu, vielu izstrādi. Pielietojumu sāk rast arī jauna nozare – sintētiskā bioloģija. Pārtikas tehnoloģiju uzņēmums Upside Food jau tagad ražo sintētisku vistas un liellopa gaļu, kas ir ne tikai inovatīvs, bet arī videi draudzīgāks produkts. Lielas iespējas ir daudzās jomās.