Obținerea unei noi produse farmaceutice de la o idee în laboratorul de chimie la piață necesită mulți ani și miliarde de dolari. În fiecare an, doar câteva zeci de medicamente noi sunt aprobate pentru utilizare în Statele Unite.
„Organele-pe-jetoane” umane conduc o revoluție în testarea siguranței medicamentelor. Aceste dispozitive folosesc celule umane pentru modelarea structurii și funcției organelor și țesuturilor umane. Prin testarea efectelor potențiale ale medicamentelor asupra diferitelor organe mai repede decât metodele tradiționale, organele pe cip pot reduce nevoia de studii la animale și pot prezice mai bine ce medicamente noi vor trata în mod eficient bolile umane.
Ca parte a unei echipe de cercetare interdisciplinare, lucrăm la un rinichi pe chip pentru a îmbunătăți înțelegerea noastră despre cum încep bolile renale și care medicamente le pot trata în siguranță.
**********
Istoric, testarea de laborator pentru medicamente noi se efectuează în celule cultivate în vase sau baloane. Dacă un medicament trece testele inițiale de screening in vitro, cercetătorii îl testează in vivo la animale vii pentru a determina efectele unui nou medicament asupra unui sistem întreg, în loc de un singur tip de celule simultan. În cele din urmă, după mulți ani de investigații de laborator, cercetătorii vor testa un nou medicament promițător la oameni pentru a vedea dacă acesta este sigur și eficient.
Problema este că 9 din 10 dintre aceste medicamente nu fac niciodată din teste umane la scară mică la pacient, deoarece se dovedesc a fi ineficiente sau toxice, chiar dacă au arătat rezultate promițătoare în testarea timpurie.
Organele pe cipuri au potențialul de a transforma complet sistemul. De la dimensiunea unghiilor la cea a unui card de credit, sunt compuse din canale fluide și camere minuscule care conțin probe de celule umane. Organele care se dezvoltă în laboratoare din întreaga țară includ rinichi, plămâni, ficat, intestin, piele, creier, inimă, os și sisteme de reproducere.
Într-un organ pe chip, lichidul care curge furnizează celulelor oxigen și nutrienți, similar modului în care sângele susține celulele din corpul uman. Acest flux constant face aceste dispozitive speciale. Celulele crescute în dispozitivele cu organe pe cip acționează mai mult ca celulele unui organ uman decât celulele cultivate în farfurii plate fără flux.
Fluidul circulă printr-un rinichi-pe-un cip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Rinichii sunt incredibil de importanți pentru sănătatea generală a omului. Cei doi rinichi cu dimensiunea pumnului elimină din organism medicamentele și compușii nedoriti și joacă un rol critic în menținerea echilibrului adecvat de sare și apă, tensiunea arterială și vitamina D și sănătatea oaselor. Afecțiunile genetice și chiar medicamentele administrate frecvent pot deteriora rinichii.
În SUA, 15 la sută dintre adulți au boli de rinichi. Însă majoritatea nici măcar nu o știu, deoarece bolile renale nu prezintă simptome până când starea este foarte avansată. Există o nevoie urgentă de a înțelege cum începe boala renală și de a dezvolta noi tratamente sigure și eficiente.
Aici, la Universitatea din Washington, echipa noastră de cercetare pe rinichi pe chip este formată din oameni de știință din mai multe discipline diferite, inclusiv farmacie, științe farmaceutice, nefrologie (medicină renală), toxicologie, biochimie și bioinginerie.
În parteneriat cu Nortis, Inc., o companie locală de biotehnologie, echipa noastră a creat un dispozitiv mic - de dimensiunea unei cărți de vizită - cu până la trei tuburi minuscule, fiecare de o mie de mii dimensiunea unei picături de apă, conținând 5.000 umane celule renale. Atunci când cantități minime de lichid sunt pompate prin tuburi, celulele renale sunt expuse la semnale importante care ajută celulele din cip să se comporte ca și cum ar fi într-un rinichi viu.
Am descoperit că celulele renale eliberează semnale - numite biomarkeri - de vătămare când sunt expuse toxinelor renale cunoscute. Cercetările noastre au arătat că celulele de pe cip au eliberat markeri de vătămare văzuți frecvent în urina persoanelor cu leziuni renale. Testarea cu metoda mai veche, folosind celule pe plăci, nu a arătat nicio deteriorare cu același tratament. Acest lucru sugerează că rinichiul pe cip poate fi mai bun decât metodele existente la a prezice dacă un medicament nou va provoca leziuni renale la om.
Aceste dispozitive fac o treabă mai bună de a testa modul în care moleculele afectează celulele umane vii. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Acum că am avut aceste rezultate promițătoare, echipele științifice din toată țara încep să conecteze diferite organe împreună pentru a reproduce un sistem mai complex și mai multi organe, pentru a oferi o mai mare perspectivă asupra modului în care drogurile afectează oamenii. De exemplu, am reușit să conectăm un ficat pe chip la un rinichi-pe-cip pentru a afla cum un extract de plantă utilizat în unele medicamente pe bază de plante, numit acid aristolochic, dăunează celulelor renale. Această investigație chip-to-chip consolidează nevoia de organe interconectate-pe-cip să reproducă mecanica complexă din corpul uman.
În anul care urmează, proiectul nostru pentru rinichi pe chip va fi unul dintre mai multe trimis la Stația Spațială Internațională, unde gravitația scăzută accelerează schimbările în celule, provocând uneori probleme de sănătate pentru astronauți. Stația spațială ar putea fi locul perfect pentru a afla mai multe despre bolile renale în săptămâni, mai degrabă decât în ani sau zeci de ani.
Organele-pe-cipuri pot fi, de asemenea, utilizate pentru a descoperi noi ținte de droguri. Echipa noastră evaluează rinichiul pe chip ca un instrument pentru a personaliza selecția medicamentului și dozarea la persoanele cu cancer de rinichi, boală renală polichistică și boală renală cronică. Alte laboratoare de organe pe cipuri din întreaga țară studiază bolile sistemului imunitar, creierului, plămânilor, inimii și vaselor de sânge. Lucrând împreună, zeci de echipe de cercetare dezvoltă această nouă tehnologie pentru a revoluționa descoperirea medicamentelor, ceea ce duce la dezvoltarea de medicamente mai bune și mai sigure pentru toți.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Catherine Yeung, profesor asistent de cercetare în farmacie, Universitatea din Washington
Edward Kelly, profesor asociat de farmaceutică, Universitatea din Washington
Jonathan Himmelfarb, director al Institutului de cercetare a rinichilor și profesor de medicină, Universitatea din Washington
