حمایت از ساخت تراشه ریزسیال جداکننده اسپرم‌ برای درمان ناباروری

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست جمهوری، این فراخوان چهارمین فراخوان برنامه حمایت از پژوهش عمیق شرکت‌های دانش‌بنیان است که در راستای مأموریت‌گراشدن پژوهش‌ها و حمایت از طرح‌های پژوهشی که به فناوری‌های روز دنیا می‌پردازد و می‌تواند باری از دوش صنعتگران کشور بردارد، اجرا می شود.

نرخ بالای شیوع ناباروری در زوج‌های ایرانی که با میزان حدود ۲۰.۳ درصد (چهار میلیون زوج نابارور در کشور) که بالاتر از نرخ میانگین جهانی است، ضرورت ارایه راهکارهای مؤثر در رفع این مشکلات را دوچندان کرده است. پیش‌بینی می‌شود که سالانه حدود ۸۸ هزار زوج نیز به آمار ناباروری اضافه شود. براساس این آمار، نقش و علل مردانه درصد بیش تری را شامل می‌شود. روش‌های معمول برای جداسازی اسپرم زمان‌بر بوده و کارآمدی پایینی دارند.

سیستم‌های میکروفلوئیدیک به دلیل ویژگی‌هایی که سلول اسپرم در میکروکانال‌ها از خود نشان می‌دهند، می‌توانند برای جداسازی اسپرم، مناسب باشند. این ویژگی‌های اسپرم در میکروکانال‌ها باعث شده تا انتخاب اسپرم با سیستم‌های میکروفلوئیدیک بسیار شبیه به شرایط درون‌تنی باشد. هدف از این فراخوان، طراحی و تولید کیت جداسازی اسپرم با استفاده از سیستم میکروفلوئیدیک و پوشش‌دهی اسید هیالورونیک روی آن است. روشی قابل رقابت و ارزان‌قیمت برای ارتقای کیفی جداسازی اسپرم که باعث افزایش تمایل مراکز درمان ناباروری به خرید این نوع محصول شود که در نتیجه، منجر به کارآمدی بیش تر باروری در زوج‌های نابارور خواهد شد.

در حال حاضر، درصد قابل توجهی از زوج‌های متعددی که به دنبال والد شدن هستند به‌دلیل مشکلات کیفی شدید اسپرم از مشکل ناباروری رنج می‌برند. انتخاب اسپرم سالم بدون ایجاد هرگونه اختلال در DNA در بیماران دارای مشکل ناباروری مردان از اهمیت زیادی در موفقیت لقاح حاصله برخوردار می‌باشد.

در سال‌های اخیر ظهور تکنولوژی تراشه ریزسیالی با توجه به امکان افزایش کارایی و نیاز به میزان پایین‌تر نمونه، امیدهای فراوانی را جهت رفع مشکلات یاد شده فراروی پژوهشگران و درمان‌گران حیطه ناباروری قرار داده است.

از این رو، کلینیک‌های ناباروری و شرکت‌های مختلف حوزه ناباروری در دنیا به‌دنبال ساخت و معرفی تراشه‌های ریزسیال کارآمد برای جداسازی اسپرم‌های متحرک و دارای خواص مورفولوژیکی کاملاً طبیعی از نمونه فرآوری نشده هستند تا بدون نیاز به سانتریفیوژ یا حجم بالای نمونه بتوان تعداد بالاتری از اسپرم‌های بارورکننده را جدا کرد.

در مطالعات متعدد و پلیت‌های جداسازی اسپرم در دنیا از اسید هیالورونیک برای جداسازی اسپرم فعال استفاده شده و عملکرد این ماده در جداسازی اسپرم فعال اثبات شده است. طرح حاضر در نظر دارد با ترکیب تکنولوژی میکروفلوئیدیک و پوشش‌دهی آن با هیالورونیک اسید در مسیر رفع مشکلات ناباروری گام بردارد.

در تکنیک‌های درمان ناباروری مربوط به مشکلات اسپرم جهت بارورسازی تخمک، یک تکنیک بهینه، جدا کردن و آماده‌سازی اسپرم برای دست‌یابی به نرخ لقاح بالاتر و به دست آوردن جنین با کیفیت بالا است. تا به امروز، متداول‌ترین روش‌های مورد استفاده در کلینیک‌ها، سانتریفیوژ با شیب دانسیته می‌باشد.

پروسه یافتن و جداسازی اسپرم در بافت انسانی با استفاده از این روش‌های رایج، امری زمان‌بر بوده و توانایی جنین شناس را برای شناسایی اسپرم کاهش داده و او را به لحاظ ذهنی و جسمی ضعیف می‌کند. اغلب در مراکز درمانی، متخصصان نمونه‌ها را در مایعی در ظرف کشت سلولی رها می‌کنند و سپس زیر یک میکروسکوپ، محتوای مایع را جستجو می‌کنند و در آن به دنبال اسپرم فعال می‌شوند.

این مسأله می‌تواند حتی موجب آلودگی نمونه‌ها شده و بیمار، شانس کم‌تری برای بچه‌دار شدن داشته باشد و هرچقدر این فرآیند بیش تر طول بکشد، احتمال زنده ماندن اسپرم نیز کم‌تر می‌شود. به‌علاوه استفاده از سانتریفیوژ، ممکن است بر کیفیت اسپرم و DNA آن تأثیر منفی گذاشته و حتی پس از لقاح در رشد اولیه جنین، لانه‌گزینی و حفظ باروری اثر معکوس بگذارد. همچنین استفاده از پوشش‌دهی اسید هیالورونیک بر روی میکروپلیت‌های مورد استفاده در فرایند جداسازی اگرچه در اتصال اسپرم‌های بارورساز بیش‌تر کمک نموده است ولی به‌دلیل نیاز به بهره‌گیری از میکروسکوپ و نیروی کاری ماهر، روش‌های متداول مورد استفاده، هنوز از زمان به نسبت زیاد لازم برای جدا کردن اسپرم‌های متحرک و مناسب رنج می ‎ برند. از این‌رو ضرورت تولید ابزاری که شناسایی سریع اسپرم در نمونه‌ها را تضمین کند نه‌تنها شانس یک زوج را برای بچه‌دار شدن بیولوژیک افزایش می‌دهد، بلکه باعث کاهش استرس روی اسپرم و افزایش کارایی در آزمایشگاه می‌شود.

با ترکیب کردن تکنولوژی نوظهور تراشه‌های ریزسیال (میکروفلوئیدیک)، استفاده از بافرهای سازگارتر شرایط بدنی برای جداسازی اسپرم و پوشش‌دهی با میزان پایین‌تر هیالورونیک اسید -که در واقع از شبیه‌سازی شرایط طبیعی الهام گرفته و از فرایند طبیعی لقاح می‌باشد- تخمک‌ها و اسپرم‌ها را می‌توان در چندین حفره جداگانه قرار داده و حتی اسپرم‌های دارای تحرک بالاتر را در جریان بافری با دبی بالاتر از دبی جریان اسپرم جداسازی نموده و لقاح را در شرایط سریع تر و بهینه‌تری انجام داد. با این حال، لازم است برای ارزیابی اولیه پیش از تولید تراشه جداساز، با بهره‌گیری از علم میکروسیالات و شبیه‌سازی سه‌بعدی، نحوه عملکرد تراشه طراحی‌شده طی روشی غیرفعال، در خصوص توانایی آن در جداسازی اسپرم‌های متحرک بر پایه دو ویژگی ذاتی رئوتاکسی و نفوذ اسپرم انجام شود.

برای این منظور، اهداف اصلی این طرح عبارت است از طراحی اولیه تراشه به منظور دارابودن حداکثر کارایی و تعیین نفوذ ذرات اسپرم متحرک در جریان بافری؛ شبیه‌سازی عددی جداسازی سلول‌های اسپرم متحرک در تراشه‌های طراحی شده و انتخاب بهترین آن‌ها؛بهینه‌سازی طراحی بر پایه نتایج شبیه‌سازی و ساخت تراشه جداکننده اسپرم؛پوشش‌دهی و میکرودات کردن کف کانال جداساز اسپرم در تراشه با مشخص کردن دما و شرایط نگهداری دیش حاوی مولکول AH ، انجام آزمایش جهت بررسی اسپرم‌های متصل شده از لحاظ مورفولوژی و ساختار کروماتین و تأیید مولکولی HA که توانایی انتخاب اسپرم مناسب را دارد.

هدف اصلی انجام این پژوهش، بیوسیمیلار و در عین حال بر پایه بومی‌سازی تکنولوژی، کاهش محدودیت‌های یادشده با ارائه محصولی کاملاً ملّی و کاهش قیمت تولیدی محصول در عین در دسترس بودن برای کلیه مراکز درمانی در طی زمان می‌باشد. علاوه بر این، باوجود برتری نسبت به روش‌های قبلی، مطالعات بالینی محدودی در مورد استفاده از روش انتخاب اسپرم توسط تراشه میکروفوئیدی و اثرات آن بر کیفیت جنین و نرخ لقاح انجام شده است که نیاز به بررسی بیش تر دارد. به‌علاوه اطلاعات کافی در مورد اثرات تکنیک‌های آماده‌سازی مایع منی، به ویژه به روش ریزسیال (میکروفلوئیدیک)، بر روی کیفیت اسپرم‌های جداشده انجام نشده است که تحقیق حاضر بنا دارد به بررسی بیان ژن PLCZ۱ و TNP۱ پرداخته و پاسخ به این سوال را هم بیابد.

چالش‌های نیاز فناورانه

طراحی تراشه میکروفلوئیدیک شامل:تعداد کانال‌ها؛طول و قطر کانال‌ها؛شیب کانال‌ها؛شبیه‌سازی دینامیکی جریان مایع؛توان جداسازی مؤثر اسپرم‌های فعال و بارورساز؛نحوه کوتینگ لایه HA و بررسی تعداد لایه مورد نیاز؛ساخت بافر جداکننده و نگهدارنده اسپرم در شرایطی کاملاً مشابه بدن.

گام‌های تحقیقاتی و الزامات طرح

گام‌های تحقیقاتی اصلی طرح پیشنهادی حاضر شامل موارد زیر می‌باشد:
بررسی اولیه مدل‌های عرضه شده خارجی: این مرحله، شامل بررسی دقیق ویژگی‌های نمونه‌های خارجی موجود در بازار جهت تولید بیوسیمیلار و ارتقای کیفی در ارزیابی اسپرم و لقاح و کاهش قیمت تولیدی است.

آزمایش و ارزیابی طی شبیه‌سازی رایانه‌ای: پیش از ساخت تراشه‌ها، شبیه‌سازی سه‌بعدی رایانه‌ای به منظور پیش‌بینی و ارزیابی اولیه عملکرد تراشه‌ها انجام خواهد شد.

طراحی و ساخت تراشه: براساس اطلاعات به‌دست آمده، طرح اولیه برای تراشه میکروفلویئدیک داده شده و با استفاده از فرآیندهای مهندسی معکوس ساخته شده و نوآوری‌هایی جهت ارتقای کیفی محصول اضافه می‌شود.

پوشش‌دهی کانال‌های تراشه با اسید هیالورونیک: با توجه به ریزبودن اندازه کانال‌های ریزتراشه، ست‌آپ پوشش‌دهی یکنواخت کانال جداسازی از جمله اهداف اصلی طرح حاضر خواهد بود.

آزمایش و ارزیابی تراشه: پس از ساخت تراشه، آزمایش‌های لازم برای ارزیابی عملکرد آن در ارزیابی اسپرم و لقاح انجام می‌شود. این ممکن است شامل تست با نمونه‌های اسپرم واقعی یا مصنوعی باشد.

بهبود و تکرار: بر اساس نتایج به دست آمده از آزمایش‌های اولیه در بخش تحقیق و توسعه، تغییرات و بهبودهای لازم در طراحی تراشه اعمال می‌شود. این فرآیند به صورت تکراری ادامه می‌یابد تا یک تراشه ریزسیال کارآمد و قابل اعتماد برای ارزیابی اسپرم و لقاح توسعه یابد.

ارائه طرح امکان تولید صنعتی با قیمت رقابت‌پذیر: پس از اینکه یک طرح نهایی تأیید شد، فرآیند تولید انبوه تراشه‌ها آغاز می‌شود. این مرحله ممکن است شامل توسعه روش‌های تولید و دستگاه‌های لازم جهت عرضه درسطح صنعتی باشد. دریافت فیدبک کیفی عرضه شده و رفع ایرادات احتمالی از بازار برای محصولات تولیدی اولیه و رفع ایرادات پیشنهادی عرضه می‌شوند. این مرحله، شامل توسعه استراتژی‌های بازاریابی و فروش، ارائه پشتیبانی به مشتریان و دریافت بازخورد برای بهبود محصولات آتی می‌باشد.

خروجی نهایی طرح، ارائه نمونه اولیه، ثبت اختراع، تولید دانش فنی تراشه ریزسیال جداسازی اسپرم جهت مصارف کلینیکی خواهد بود.

محصول جهت انتخاب اسپرم مناسب در تزریق داخل سیتوپلاسمی در افراد ناباروری که به مراکز ناباروری مراجعه می‌کنند و درمان ناباروری آن‌ها از روش تزریق داخل سیتوپلاسمی تشخیص داده می‌شود، به کار گرفته خواهد شد که در مدت زمان کم‌تر و با کارایی بالاتر و قیمت پایین تر بتواند پارامترهای اسپرم، شاخص تکه‌تکه شدن DNA (DFI )، بیان PLCZ۱ و mRNA های پروتئین‌های TNP۱ در اسپرم‌های انتخاب شده را سنجیده و مناسب ترین اسپرم را از نظرشکل، تحرک و ژنتیک جهت بارورسازی زوج‌های نابارور در مراکز ناباروری ارائه دهد.

دستیابی به تکنولوژی نحوه پوشش‌دهی مولکول هیالورونیک اسید در ریزکانال‌های تراشه‌های ریزسیال به صورت یکنواخت نیز جهت مصارف تحقیقاتی و مهندسی بافت از دیگر خروجی‌های طرح است. برای اطمینان از پوشش‌دهی مناسب اسید هیالورونیک بر روی سطح یک تراشه و دست‌یابی به شرایط نگهداری مناسب جهت مصارف کلینیکی لازم است با بهره گیری از روش‌های زیر بهترین عملکرد و شرایط انبارداری و عرضه محصول نهایی را تعیین کرد:

روش‌های فیزیکی: می‌توان از روش‌های فیزیکی مانند میکروسکوپ الکترونی یا طیف‌سنجی برای بررسی ویژگی‌های سطحی و ضخامت پوشش استفاده کرد.

روش‌های شیمیایی: روش‌های شیمیایی مانند طیف‌سنجی فروسرخ یا طیف‌سنجی رامان می‌توانند اطلاعات مفیدی در مورد ساختار شیمیایی پوشش ارائه دهند.

آزمون‌های عملکردی اتصال به اسپرم: آزمون‌های عملکردی مانند آزمون‌های جذب یا آزمون‌های سلولی می‌توانند نشان دهند که پوشش به درستی کار می‌کند یا خیر و مدت زمان و بهترین شرایط نگهداری آنچه خواهد بود.

مالکیت معنوی: مجری در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و متقاضی در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با هماهنگی و اخذ نظر کارفرما بلامانع می‌باشد.

مالکیت منافع مادی: با توجه به مدل کسب‌وکار شرکت متقاضی، منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری، قابلیت اشتراک بین متقاضی و مجری را با هماهنگی و اخذ نظر موافق کارفرما دارا می‌باشد. لازم است مدل پیشنهادی در پروپوزال ارسالی ارائه شود.

نحوه پذیرش رقابتی است و از بین پروپوزال‌های دریافتی، موردی که شرایط زیر را داشته باشد، در اولویت خواهد بود.

کلیه افراد واجد شرایط به مدت یک ماه از تاریخ انتشار فراخوان یعنی تا ۲۰ دی فرصت دارند که پروپوزال خود را از طریق سامانه کایپر برای بنیاد ملی علم ایران ارسال کنند.

پژوهش پیشنهاد شده تا سقف ۸۰ درصد، حداکثر دو میلیارد تومان، توسط بنیاد ملی علم ایران حمایت خواهد شد. بدیهی است که مابقی هزینه‌ها باید توسط شرکت متقاضی پژوهش تامین شود.

در صورت هرگونه سوال می‌توانید با کارگروه دانش‌بنیان با ایمیل [email protected] یا شماره تلفن ۰۲۱۸۲۱۶۱۱۲۱ تماس بگیرید.