نگاهي به مزيت هاي زيست رآكتورهاي يك بارمصرف به جايي برو كه ديگران نرفته اند

واضح آرشیو وب فارسی:سایت ریسک: نگاهي به مزيت هاي زيست رآكتورهاي يك بارمصرف به جايي برو كه ديگران نرفته اند
محمدرضا جبلي

استفاده از روش تخمير براي توليد دارو، سابقه طولاني دارد. امروزه نيازها و الزامات يك زيست رآكتور براي صنايع دارويي با آنچه نيم قرن قبل مطرح مي شد، تفاوت بنيادي يافته است. از اين رو اين پرسش مطرح مي شود كه براي آينده اين فناوري چه چشم اندازي ر ا پيش رو داريم.

پيش بيني آينده هرگز امري آسان نبوده است. شاهد اين امر نيز اشتباه هاي متعدد تاريخي افراد متخصص در پيشگويي تحولات آينده جهان است. در اين مقوله مثال هاي متعددي در مراجع مذكور است. يكي از مشهورترين اين ماجراها مربوط است به «توماس واتسون» كه به عنوان مدير وقت شركت آي بي ام در سال 1943 اين گونه پيش بيني كرد؛ «من تصور مي كنم در جهان احتمالاً براي حداكثر تا پنج دستگاه كامپيوتر، بازار وجود داشته باشد.» اكنون در كشورهاي توسعه يافته، اغلب خانه ها هر يك داراي چهار يا پنج دستگاه كامپيوتر هستند، يعني در هر اتاق يك دستگاه.

«چارلز دوئل» كميسيونر وقت دفتر ثبت پتنت ها در ايالات متحده در سال 1899 و در آستانه پايان قرن نوزدهم پيش بيني كرد آن دفتر به زودي تعطيل خواهد شد زيرا «هر آنچه كه قابل اختراع شدن بود، اختراع شده بود.» در سال 1899، دفتر ثبت پتنت هاي ايالات متحده تعداد 631234 پتنت را به ثبت رسانده بود. امروز تعداد پتنت هاي ثبت شده حدود هشت ميليون نسخه است، چرا چنين به خطا رفتند؟ بخشي از پاسخ آنجاست كه آنها در تلاش بودند تا آينده را با نگرشي غلط پيش بيني كنند. آينده را نمي توان بر اساس كاربردهاي يك وسيله يا نحوه پيشرفت تجهيزات پيش بيني كرد. اين كار امري نيمه محال است.

در عوض پرسش از «نيازهاي آينده» جايگزين مناسبي براي سوال فوق است. در زماني كه «توماس واتسون» پيش بيني خود را اعلام كرد، كامپيوتر وسيله يي بود براي محاسبه جداول بالستيك در صنايع نظامي. به وضوح بازار چنين ابزاري با كاربرد دسته بندي اطلاعات توپخانه بسيار محدود بود. عامل ديگر بروز خطا در پيش بيني آينده، اشتباه در ارزيابي سرعت تغييرات است. خود شما چگونه قادريد زمان تغيير فناوري ها را پيشگويي كنيد؟ چگونه حدس خواهيد زد كه چه موقع روش قديمي انجام يك كار تغيير كرده و منسوخ مي شود؟

يكصد سال به طول انجاميد تا «پديده تلفن» در زندگي انسان ها تثبيت شود. دستگاه فكس طي 10 سال به عنوان يك روش عادي مبادله اطلاعات شناخته شد و تنها اندكي زمان برد تا پست الكترونيك يا همان اي ميل در زندگي ما جا باز كند.

«آرتور سي كلارك» نويسنده داستان علمي- تخيلي «2001؛ يك اديسه فضايي» به عنوان انساني شناخته شده بود كه آينده را پيشگويي مي كرد. اغلب ناظران بر اين باورند كه اين احترام كاملاً بجا است و تنها در نتيجه توانايي بي بديل او در توصيف ابزارها و وسايل آينده بوده است كه هم اكنون بسياري از آنها از عالم خيال به حقيقت پيوسته اند. اگرچه بايد تا حدي بر اين باور صحه گذاشت، اما بخشي از موفقيت هاي «كلارك» نيز به توانايي او براي پيشگويي «مسائل و مشكلات جهان فردا» از هر دو منظر فني و اجتماعي منتسب مي شود كه او را به پيش بيني راه حل هاي مناسب براي آن مشكلات رهنمون ساخت. در بررسي هر ابزار خاص، چه يك كامپيوتر خانگي يا يك زيست رآكتور صنعتي، مي توان آينده تحولات آن را با نگرش به مسير تكامل آن از گذشته تا به امروز و استمرار روند «نياز به تكامل» در حركت به آينده استنتاج كرد. همچنين تجزيه و تحليل موضوع «نيازهاي آتي» در درك كاستي هاي كنوني دستگاه ها نيز مفيد است و برنامه ريزي براي تكوين هاي آينده را امكان پذير مي سازد. در صنعت بيوتكنولوژي هم اكنون در آستانه تغييرات اساسي قرار داريم. زيست رآكتورهاي همزن دار فولادي در نيم قرن گذشته دستگاه اساسي صنايع زيستي بوده اند. در حقيقت با بازديد از موسسه علوم شهر لندن درمي يابيم كه زيست رآكتورهاي اصلي مورد استفاده براي ساخت پني سيلين در سال 1957، از نظر ظاهر به زيست رآكتورهاي امروزي مدل 2007 بسيار شبيه هستند. با اين وجود، الزامات يك زيست رآكتور صنعت داروسازي نوين با آنچه كه پنجاه سال قبل مد نظر بوده، كاملاً متفاوت است. امروزه ما نيازمند تجهيزاتي براي «درمان هاي ويژه هر بيمار» هستيم. در 10 سال گذشته، موج فناوري زيست رآكتورهاي يك بارمصرف اين صنعت را در نورديده است. مزاياي اين فناوري در حال پيشي گرفتن از رآكتورهاي سنتي همزن دار است. در عين حال بسياري از مردم در برابر روش هاي نوين انجام كارها، مانند هر تغيير ديگري، احساس آسايش و راحتي نمي كنند. اين افراد با آويختن به جنبه هاي آشناي فناوري هاي قديمي به تلاش براي مقابله با تغييرات روي مي آورند.

مثالي مناسب براي اين پديده، سال هاي اوليه ظهور پديده اتومبيل است. اگر به طراحي اتومبيل هاي اوليه بنگريم، درمي يابيم دقيقاً مانند يك كالسكه اسبي طراحي شده اند، البته بدون حضور اسب،

در طراحي زيست رآكتورهاي فعلي نيز، با اين پديده «گذشته گرايي» روبه رو هستيم. زيست رآكتورهاي يك بارمصرف به وضوح، ناكارايي، هزينه بر بودن و سختي كار با رآكتورهاي همزن دار را آشكار ساخته اند. با اين وجود كاربران از ترك دستگاه هاي عزيز و مانوس خود در هراسند. راهكار ميانه، رآكتورهاي همزن دار يك بار مصرف است كه موجب ايجاد احساس قرابت در كاربران قديمي مي شود. اين مخزن هاي بدون فولاد، مانند همان كالسكه هاي بدون اسب، ابزارهاي گذر فناوري از مرحله قديمي به جديد است. تا زماني كه محققان عادت كنند شباهت به يك مخزن همزن دار، پيش نياز الزامي يك زيست رآكتور خوب نيست.

نگرش آينده

با نگرشي ساده جويانه، زيست رآكتور ابزاري است كه در آن نوعي فعاليت بيولوژيك كنترل شده صورت مي پذيرد. كلمه كليدي در اين تعريف، «كنترل فعاليت» است. يك مخزن تخمير را تنها در صورتي كه به صورت صحيح راهبري شود، مي توان زيست رآكتور ناميد و اگر همين كنترل روي سيستم اعمال نشود، نتيجه يي بيشتر از مشتي ضايعات تخميرشده به دست نخواهد آمد.

براساس اين تعريف، طراحي يك زيست رآكتور كاملاً وابسته به كاربري مورد نظر براي آن است. لذا طراحي زيست رآكتورهاي آينده، مرتبط است به دو عامل؛ «الزامات فرآيند مدنظر» و «گستره صنعتي كه در آن به كار گرفته خواهد شد». در اين قسمت به بررسي برخي زمينه هاي پيش بيني حضور زيست رآكتورهاي فردا مي پردازيم. براي پيش بيني نحوه تحولات زيست رآكتورها در آينده، ضروري است مفهوم رآكتور را با نگرشي وسيع تر مدنظر قرار دهيم.

رآكتورهايي براي توليد انبوه مواد درماني

از ابتداي كشف آنتي بيوتيك ها، زيست رآكتورها براي توليد انبوه مواد درماني مورد استفاده واقع شده اند. اولين وسايل از اين رديف، رآكتورهاي شيميايي بودند كه با اعمال تغييراتي، قابليت انجام عمليات سترون، هوادهي و كنترل دما را يافته بودند. با رشد روز افزون اهميت كشت سلولي در دهه هاي گذشته، اين رآكتورها به بيورآكتورهاي آشنا با مخازن استيل همزن دار تغيير شكل دادند كه تا كنون نيز كار كشت سلول را در سيطره خود دارند.

در هر حال فشارهاي مالي بر صنعت دارويي، منجر به پذيرش فناوري هاي جديد و به ويژه استفاده از «يك بارمصرف ها» شده است. اين رآكتورها با صرف كسري از هزينه هاي سرمايه گذاري و مخارج عملياتي رآكتورهاي قديمي همزن دار، امكان كشت سلول را در كيسه هاي پلاستيكي فراهم مي سازند. نكته مهم و قابل تعمق اينجاست كه «انقلاب توليدات بيولوژيك» در نتيجه پيشرفت طراحي و مهندسي زيست رآكتورها حاصل نشده است، چرا كه هنوز هم يك زيست رآكتور كشت سلولي معمولي نيز مانند اجدادش عبارت است از «يك مخزن سترون داراي سامانه هوادهي». از طرف ديگر، فناوري يك بار مصرف، عمليات پرهزينه نظافت، سترون سازي، كارآمدسازي و مهم تر از همه سامانه هاي پيچيده و غيرضروري اتوماسيون اين دستگاه ها را به كناري نهاده است. با اين همه، هيچ گشايش فني واقعي در عملكرد زيست رآكتورها حاصل نشده است. پس نكته انقلابي توليد در كجاست؟

انقلاب حقيقي كشت سلول براي توليد مواد درماني در «مهندسي رده هاي پربازده سلولي و سيستم هاي بيان» صورت پذيرفته است. اين پيشرفت هاست كه بازدهي سلولي را به آستانه چشمگير امروزي رسانيده است. 10 سال پيش دستيابي به بازده 200 ميلي گرم آنتي بادي منوكلونال در هر ليتر، ارزش انتشار و درج در مقالات علمي را داشت. اين امر در حالي بود كه امروزه بازده دوهزار تا سه هزار ميلي گرم در هر ليتر، معمولي و روزمره تلقي مي شود. اين پيشرفت روي طراحي زيست رآكتورها تاثير شگرفي نهاد. 10 برابر شدن بهره وري توليد موجب شد تا حجم عملياتي مخازن صنعتي از مضرب هاي هزار ليتر به مضرب هايي از صد ليتر كاهش يابد. از طرف ديگر، اين تحول گزينه فناوري رآكتورهاي يك بار مصرف را براي توليد، قابل رقابت تر مي سازد.

عامل بعدي تغيير در چشم انداز آينده زيست رآكتورها، رشد شديد تعداد گوناگوني از داروهاي جديد است. سياست توليد چندين تن از يك ماده دارويي پر فروش در يك كارخانه، اكنون به توليد بچ هاي كوچك از انواع محصولات در همان سايت تغيير جهت داده است.

لذا احتمالاً روزگار بيورآكتورهاي چند ده هزار ليتري ديگر به سر آمده و ايام باقيمانده از عمر اين فناوري به شمارگاني معدود رسيده است. واحدهاي آينده توليد كننده مواد زيست درماني داراي رده هاي سلولي پر محصول مهندسي شده خواهند بود كه در زيست رآكتورهاي فشرده و پر بازده توليد خواهند شد. اين روند بر طراحي تجهيزات كشت سلولي توليد كننده محصولات درماني نيز تاثير گذار خواهد بود. برخي تحولات احتمالي عبارت خواهند بود از؛

استاندارد سازي توليد محصولات بيولوژيك؛ بسيار غيرموثر و پرهزينه است اگر مجبور باشيم در كنار ابداع هر محصول درماني، روش عملياتي جديدي نيز مختص توليد آن، توسعه دهيم. همچنان كه محصولات بيولوژيك بيشتر و بيشتر به زندگي ما مي پيوندند، سايت هاي توليد كننده آنها نيز به سمت مدل هاي يكسان شده با اجزا و فرآيندهاي استاندارد، تكوين پيدا مي كنند. رده هاي سلولي نيز بيشتر و بيشتر دستكاري مي شوند تا در آن سايت استاندارد شده قابل توليد شود. محصول اين سايت نيز به نحوي تنظيم مي شود كه تا سر حد امكان در آن خط توليد استاندارد ، تخليص و پالايش شود. چالش فراروي طراحان بيورآكتورها در توسعه و عرضه تجهيزاتي خواهد بود كه قابليت استفاده در همه خطوط توليد را داشته و كاربري آنها آسان باشد.

نتايج كشت پر تراكم سلولي و سيستم هاي بيان پر بازده؛ ابداع و توسعه سلول هاي موثرتر و بهره وري سلولي، الزامات صنعت زيستي در آينده خواهد بود. تمركز سيستم هاي اتوماسيون و كنترل نيز بر توسعه بيورآكتورهاي نفوذ پذير و راهبردهاي كنترل تزريق مواد غذايي به درون اين سيستم ها خواهد بود.

داروهاي منحصر به يك فرد؛ درمان ويژه يك بيمار خاص، افق جديد تحقيقات دارويي است. دانش ژنوم انسان و توانايي كشت سلول در خارج از بدن، نياز به انواع جديد تجهيزات مرتبط و از جمله بيورآكتورهاي تخصصي را مطرح ساخته است. برخلاف تصور دانشمندان، «Gene Delivery» توسط ويروس ها و ديگر وكتورها، به اندازه يي كه قبلاً ساده انگاشته مي شد، آسان نبوده است. در حال حاضر راندمان تحويل ژن پايين است و حجم زيادي از وكتور ارسالي به مقصد مد نظر دست نمي يابد. در نتيجه بايد ميزان بالاتري از وكتور را به كار گرفت كه خود مستلزم حجم بالاتري از زيست رآكتور توليد كننده آن وكتور است.

پيشرفت در فناوري

«Gene Delivery» سرانجام به كارگيري داروهاي «منحصر به يك فرد» را به امري عملي و عمومي تبديل خواهد كرد. بسياري از سلول هاي مورد استفاده در درمان هاي سلولي-ژني، روي سطوح كشت (و نه در حجم) رشد مي كنند. دانش سطوح متصل به سلول طي 20 سال گذشته، پيشرفت اندكي داشته است. كنترل پديده پيوند و جدايش سلول ها به سختي صورت مي پذيرد كه در نتيجه، افزايش مقياس فرآيند را تقريباً ناممكن مي سازد. فناوري هاي نو با استفاده از سطوح نانوالياف، بارقه اميدي را در عرضه سطوح بهتر كشت سلول به دست داده اند. ممكن است اين امر به پيشرفت مهمي بدل شود، زيرا تحقيقات اخير نشان داده ماهيت اتصال سلولي، نقشي مهم در عملكرد آن سلول بازي مي كند.

مشكل ديگر در كشت سلول ها و اندام انساني، نياز به معجوني پيچيده از انواع عوامل مغذي، عوامل رشد و مواد شيميايي است. فناوري هاي فعلي بر اين پايه توسعه يافته اند كه همه عوامل ضروري را به طور همزمان در يك محيط كشت معلوم عرضه دارند. اين پيش شرط موجب مي شود فناوري كشت سلول پرهزينه و كم بازده شود، بيولوژي عمل به زحمت درك شده و عوامل پيغام دهنده اصلي در فرآيند كشت مفقود بمانند.

براي بيورآكتورهاي نسل آينده، ضروري است از نگرش امروزين انجام «تك كشت» با هدف رشد تنها يك نوع سلول ايزوله شده، دست برداشته و به سطح بالاتري از فناوري دست يابند كه طي آن به طور همزمان با «جمعيتي از سلول ها» در تعامل خواهد بود. پايش تفكيك هاي سلولي و نظارت بر تعادل جمعيتي بين انواع سلول در حال رشد همزمان، چالشي عمده بر سر راه طراحي هاي نوين زيست رآكتورهاي آينده خواهد بود.

توسعه بيورآكتورهاي كشت اندام و بافت؛ اين تجهيزات نياز به ساختار هاي ويژه دروني دارند تا بتوانند در تقليد از طبيعت، غذاي عضو را بدان رسانده و محصولات متابوليك را حذف كنند.

توليد پرتراكم سلول؛ بدن انسان به طور مشخص در اين فناوري پيشتاز است به طوري كه روزانه 1097 سلول يوكاريوت را در غلظت 1092 سلول بر ميلي ليتر توليد مي كند. اين توانايي، صد برابر عملكرد بهترين بيورآكتورهايي است كه امروزه در دسترس ما هستند.

بيورآكتورهاي با سطوح بهتر اتصال سلول؛ ايجاد تكنيك هاي جديد براي پيوند و جداسازي سلول ها به سطوح به همراه دانش پايش كامل فرآيند و كمينه سازي صدمات سلولي، اصلي ترين عوامل و ملاك هاي ابداع فناوري بيورآكتورهاي جديد سطحي است.

بيورآكتور براي كشت سلول هاي حساس؛ امروزه به بيورآكتورهاي جديدي نياز است كه قادر به بيان سلول هايي حساس همچون «آسترايت»ها و «نورون»ها باشند. ميكروب ها پيش از ما انسان ها روي كره زمين حضور داشته اند. در حقيقت اكوسيستم اين سياره بر اثر فعاليت ميكروب ها طي صدها ميليون سال گذشته براي ما قابل سكونت شده است. انسان ها بدون ميكروب ها قادر به ادامه بقا نيستند. در نظر داشته باشيد كه بدن انسان نيز يك موجود منفرد نيست، بلكه در حقيقت يك جامعه پذيراي ميكروب هاست. بدن انسان دربرگيرنده حدود 1012 تا 1014 ميكروب است در حالي كه خود بدن از حدوداً 1013 سلول انساني تشكيل شده است. از اين منظر، ما بيشتر توده يي نيمه انساني- نيمه ميكروبي هستيم،

بدن انسان يك بيورآكتور است كه روي يك بيورآكتور ديگر (يعني كره زمين) زندگي مي كند. لذا آينده بيورآكتور در حقيقت آينده خود ما انسان هاست.

با اين گفتار، شاكله بيورآكتور در آينده، هماني خواهد بود كه بدان نياز داشته باشيم؛ وسيله يي براي رشد سلول ها، رشد اندام تعويضي، توليد داروها، توليد غذا، فرآوري پساب ها، توليد انرژي و... مانند هر فناوري ديگر، اين وسيله در خدمت هدفي مشخص است و بر حسب تغيير هدف پايه، متحول مي شود. به گفته يكي از صاحب نظران فناوري، «هنگامي كه تنها ابزار در اختيار شما چكش باشد، هر مشكلي در نظرتان شبيه يك ميخ نمود خواهد كرد.» لذا مهم اين نيست كه بيورآكتورهاي آينده شبيه بيورآكتورهاي امروز باشد يا نباشد، بلكه مهم آن است كه آنها چگونه در خدمت ما خواهد بود و چگونه بر زندگي ما تاثير مي گذارد. از اين روست كه ما بايد آنچه را نياز داريم به دقت درك كنيم تا بتوانيم به درستي براي برآوردن آن نياز عمل كنيم و تنها به ابداع هاي سنتي و آشنا محدود نشويم. كلام «به جايي برو كه ديگران نرفته اند»، سرمشق ما در اين راه خواهد بود.
شنبه 16 شهريور 1387

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: سایت ریسک]

[مشاهده در: www.ri3k.eu]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 297]