Body-On-Chip-mikrofluidiratkaisut 3D-tulostuksen hyödyntämiseen

Parempien vartalolaboratoriomallien tarve

Uusien lääkkeiden löytäminen ja testaus on aina monimutkainen ja kallis prosessi. Historiallisesti se oli täysin riippuvainen uusien tuotteiden testaamisesta eläimillä ja ihmisillä.

Viime aikoina in vitro -testausta on käytetty sen selvittämiseksi, mitä mahdollinen uusi lääke voisi tehdä tietyille solutyypeille.

In vitro -tutkimusten relevanssi on kuitenkin aina epävarmaa, koska koko keho, eläimen tai ihmisen, on hyvin erilainen kuin pelkkä soluviljelmä. Syöpää ehkäisevä kemikaali saattaa imeytyä suolistossa, jalostaa se uudeksi molekyyliksi maksassa, ja sillä voi olla odottamattomia vaikutuksia aivoihin. Mitään näistä prosesseista ei voida tunnistaa oikein pelkällä syöpäsoluviljelmällä.

Tämä ei ole kaukana vain akateemisesta ongelmasta, sillä monet mahdolliset lääkkeet epäonnistuvat kliinisten tutkimusten vaiheessa I, mikä paljastaa turvallisuusongelmia, joita eläin- ja in vitro -tutkimukset eivät pystyneet tunnistamaan riittävän aikaisin.

Tämä puolestaan ​​maksaa paljon rahaa ja lisää tulevien hengenpelastuslääkkeiden kustannuksia.

Lähde: researchgate

Onneksi uusi tekniikka saattaa tulla apuun, ja koko kehon simulaatio on paljon tarkempi laboratorioympäristössä.

Organ-On-A-Chip

"Body-on-a-chip", jota kutsutaan myös "ihmis-siruksi" tai mikrofysiologiset järjestelmät, pyrkivät replikoitumaan kokonaan tai osittain kehosta soluviljelmillä.

Tätä varten se yhdistää useita miniatyyriä in vitro -elimiä ("elin-siru").

Lähde: Harvard 

Urut sirulla on teknologia, joka käyttää mikrofluidiikkaa ravinteiden syöttämiseen soluviljelmään, luoden realistisen simulaation ravinteiden ja lääkkeiden diffuusiosta todelliseen elimeen.

Tämä voi esimerkiksi luoda mallin "hengitystieistä sirulla", joka simuloi ihmisen hengitysteiden toimintaa, sekä malleja ihmisen suolet, munuainens, tai luuydin.

Organ-On-A-Chipistä Body-On-A-Chipiin

Yhdistämällä useita elimet sirulle, voit alkaa luoda osia koko kehosta ja harkita kunnolla biologista prosessia, jonka lääke suorittaa todellisessa potilaassa.

Tämä voi tarkoittaa niinkin erilaisia ​​biologisia mekanismeja kuin immuunivaste, lääkkeiden imeytyminen suolistossa, keuhkoissa tai verisuonissa, lihasten supistaminen, maksan metaboloituminen jne.

Lähde: Harvard

Jälleen kerran tämä on ratkaisevan tärkeää, sillä useimmat lääkkeiden vaikutukset (positiiviset ja negatiiviset) voidaan ymmärtää vain ottamalla huomioon monien eri elinten reaktiot niihin.

Body-On-Chip -mallit

Kaikki body-on-sirut eivät ole samanlaisia, ja koko järjestelmän rakentamiseen käytettyjen sirujen uruille on olemassa monia erilaisia ​​malleja. Jokaisella on omat etunsa, ja lääketieteen tutkijat käyttävät niitä eri tavalla.

Yksi tapa luokitella ne on käytettyjen solujen ja kudosten tyyppi. Jotkut siruihin kiinnitetyt elimet käyttävät vain yhtä solutyyppiä (monoviljelmää), jota tukevat joko keinotekoiset mikrorakenteet tai kollageenikerrokset. Toisissa on useita solutyyppejä, jotka on koottu yhteen joko palloina tai monimutkaisempina 3D-rakenteina.

Lähde: Nature.com

Toinen luokittelumenetelmä tutkii, kuinka nesteet siirtyvät sirujen sisään ja niiden välillä. Ne voivat jakaa saman ympäröivän nesteen tai ne voivat olla yhdistettynä räätälöityjen putkien kautta, jotka jäljittelevät verta tai imusolmukejärjestelmää. Nestevirtaus voi olla jatkuvaa tai ohjattu robotti nesteensiirroilla.

Ne voidaan myös erottaa kiertävästä ravinteiden ja lääkkeiden nesteestä huokoisella kalvolla tai solukerroksella (endoteeli).

Lähde: Nature.com

Kuten voit kuvitella, tämä mallien monimuotoisuus luo lähes loputtomasti mahdollisia yhdistelmiä. Vaikka tutkijat ovat jo erittäin hyödyllisiä, ne ovat vasta alussa suunnittelemassa siruja ja body-on-siruja ja kokeilevat edelleen löytääkseen optimaalisen tasapainon täydellisten kopioiden, luotettavuuden ja tuotantokustannusten välillä.

Organ-On-Chip Market

Organ-on-chip on uusi teknologia, joka on vasta nyt saavuttamassa riittävän kypsyyden poistuakseen tutkimuslaboratoriosta ja siirtyäkseen lääkekehitysprosessiin. Vuonna 2023 markkinat olivat 103 miljoonaa dollaria.

Arviot laitettu siruelinten markkinat ovat 303 miljoonaa dollaria vuoteen 2026 mennessä, kun eläinkokeiden korvaaminen nostaa nopeaa kasvua, jolloin arviolta 2027 on 529 miljoonaa dollaria. Muut ennusteet näkevät sen kasvaa 1.4 miljardiin dollariin vuoteen 2032 mennessä, tekee yli 10 kertaa 8 vuodessa.

Body-on-chip on vielä uudempi ja hyötyy suuresti teknologisista innovaatioista parantaakseen sen suorituskykyä ja luotettavuutta ja alentaakseen kustannuksia.

Body-On-Chip -sovellukset

farmakokinetiikka

Lääkkeiden keskeinen ominaisuus, jolla on syvällinen vaikutus niiden tehokkuuteen ja mahdolliseen toksisuuteen, on farmakokinetiikka. Yksinkertaisemmin sanottuna se tarkoittaa sitä, kuinka nopeasti lääke leviää kehoon ja kunkin elimen kudoksiin erikseen.

Tätä on vaikea ennustaa paperilla tai tietokonemalleilla, koska se riippuu siitä, kuinka suolet, verenkierto ja elimet reagoivat tiettyyn kemikaaliin.

Tätä varten tarvitaan mahdollisimman täydelliset keho-sirut, joissa lääkkeen sisäänpääsykohta vaihtelee sen mukaan, annetaanko se suun kautta (maha ja suolisto), aerosoleissa (keuhkot) vai suonensisäisesti (verenkierto).

Lähde: Nature.com

Henkilökohtainen lääketiede

Toinen suuri lupaus body-on-chipistä on mahdollisuudet henkilökohtaiseen lääketieteeseen. Yhä useammin tutkijat ja biotekniikan startupit pyrkivät kehittämään lääkkeitä paitsi "ihmisille" kokonaisuutena, vaan myös alakategorioihin (sukupuoli, sukupuoli, ikä, geneettinen profiili jne.) mukautettuja lääkkeitä yksittäiseen potilaaseen saakka.

Korkean toistettavuuden, terveysriskittömyyden ja alhaisempien kustannustensa ansiosta ne voivat edullisesti korvata monia kliinisiä tutkimuksia lääkkeen hienosäädössä varhaisessa kehitysvaiheessa.

Ne voivat esimerkiksi auttaa tunnistamaan vaihtoehtoisia lääkekandidaatteja, kun turvallisuusongelmia ilmenee, varsinkin jos ongelma koskee vain tiettyä alapopulaatiota.

Lähde: Nature.com

Aluksi body-on-sirujen on enimmäkseen osoitettava paremmuus olemassa oleviin in vitro ja eläintutkimuksiin verrattuna.

Lopullisena tavoitteena on kuitenkin in vivo -potilaiden kliinisten tutkimusten tarkka toistaminen.

Vielä kaukaisemmassa tulevaisuudessa voisimme kuvitella, että potilaan omia soluja sisältäviä siruja voitaisiin käyttää ennustamaan etukäteen reaktioita erilaisiin lääkkeisiin ja määrittämään paras hoitomenetelmä.

3D-tulostus auttaa tekemään Body-on-chips

Todelliset elimet ovat monimutkaisia ​​3D-rakenteita, joissa on monimutkainen sekoitus erilaisia ​​soluja ja kudoksia.

Jotta elin-siru, joka muodostaa koko kehon sirun, simuloi realistisesti todellista asiaa, valmistusprosessin on luotava lähes tarkka kopio todellisista elinkudoksista. Tai tulevaisuudessa ehkä jopa täysikasvuisia elimiä.

Tämä on mahdollista vain uuden teknologian, nimeltä bioprinting, ansiosta.

Siinä käytetään uudelleen 3d-tulostuksen avainperiaatetta: tietokoneen ohjaama suutin tallentaa halutun materiaalin pala kerrallaan oikeaan paikkaan. Mutta sen sijaan, että se kerrostaisi muovia tai metallia, se kerää eläviä soluja.

Biotulostus on kehittynyt rinnakkain elin- ja body-on-chip -tekniikan kanssa, ja aluksi keskityttiin enemmän solujen "tulostamisen" teknisten vaikeuksien ratkaisemiseen.

Tällä hetkellä teollisuus luottaa edelleen enimmäkseen keinotekoisiin rakennustelineisiin rakenteen antamiseksi painetuille soluille. Edistystä on kuitenkin edistytty 3D-tulostettujen elimien luomisessa, jotka ovat enemmän samankaltaisia ​​kuin orgaaniset.

Jos nykyinen organ-on-chip -tekniikka siis enimmäkseen luo uudelleen elimen kudoksia muodostavien monikerroksisten järjestelmien mallin, sen yhdistäminen edistyneisiin biotulostusmenetelmiin voisi luoda entistä realistisempia simulaatioita.

Jos haluat lukea lisää, tutkimme syvällistä biotulostusta artikkeleissamme "Organs On Demand: parhaat 3D-biotulostusvarastot"Ja"Uusi tekniikka mahdollistaa toiminnallisen aivokudoksen 3D-tulostuksen".

Biotulostus- ja body-on-chip-yritykset

1. BICO Group AB (BICO.ST)

Vuonna 2021 Cellink nimettiin uudelleen BICO-konserniksi sen hankittua Cytena laboratorioautomaatiotyökalut vuonna 2019 ja Tiede korkean tarkkuuden mikropisaroiden mittaustyökalut vuonna 2020.

Cellink on edelleen liiketoiminnan biotulostusosuuden tuotemerkki.

Vaikka Cellink ei ole yksin alalla, se on selvästi erittäin edistynyt biotulostuslaitteiden valmistaja, joka keskittyy toimittamaan biotekniikan ja biolääketieteen tutkijoita.

Pitkällä aikavälillä biotulostusyritykset todennäköisesti kehittyvät tutkijoiden työkalujen tarjoajista lääkeyhtiöiden biotulostushoitojen toimittajiksi potilaille. Tämä puolestaan ​​muuttaa täysin käytössä olevien biotulostimien määrän ja, mikä tärkeämpää, kuukausittain myytävien kulutustavaroiden määrän.

Tämä on sama prosessi, joka tapahtui muille biolaboratoriolaitteiden valmistajille, mukaan lukien genomin sekvensointikoneet PacBio (PACB) Ja Illumina (ILMN), jotka ovat saaneet 80 % tuloistaan ​​kulutustarvikkeiden toistuvasta myynnistä.

2. Urut

Organovon oma teknologia käyttää 3D-tulostettuja ihmiskudoksia jäljitelläkseen oikeiden ihmiskudosten keskeisiä ominaisuuksia, kuten koostumusta, arkkitehtuuria, toimintaa ja sairauksia.

Tätä käytettiin uusien terapeuttisen potentiaalin omaavien molekyylien löytämiseen. Validoimalla ensin mahdolliset molekyylit 3D-kudosmallissa, yritys toivoo vähentävänsä kliinisissä kokeissa epäonnistumisen riskiä realistisemman in vitro -solumallin ansiosta ennen kuin testataan ihmisillä.

Organovon kehitysprosessi keskittyy tulehdukselliseen suolistosairauteen (IFD) ja maksafibroosiin. Yksi ohjelma on kliinisen tutkimuksen vaiheessa 2/3 ja yksi vaiheessa 1. Vaiheen 2a POC-tuloksia odotetaan vuoden 2 toisella puoliskolla.

Lähde: Urut

Vuonna 2.1 Yhdysvalloissa todettiin 2022 miljoonaa tapausta ja maailmanlaajuisesti 13 miljoonaa haavaista paksusuolitulehdusta, IFD:n muotoa, mikä edustaa 6.6 miljardin dollarin markkinoita. Sen odotetaan myös jatkavan kasvuaan 6 prosentin CAGR:llä vuoteen 2032 asti 12 miljardin dollarin markkinoille.

Koska Organovo käyttää realistista simulaatiota suolistokudoksesta, jossa on polarisoitunut epiteeli ja interstitiaalinen kerros, on todennäköistä, että heillä on hyvä kuva in vitro siitä, kuinka heidän lääkkeensä vaikuttaa potilaaseen.

Lähde: Urut

On todennäköistä, että kun body-on-chip-teknologiasta tulee kypsempi teknologia, Organovon lähestymistapa käyttää 3D-tulostettuja ihmiskudoksia tulee entistä todennäköisemmin ennustamaan lääkekehityksen varhaisia ​​mahdollisia ongelmia.

Tämän pitäisi puolestaan ​​auttaa sitä nopeuttamaan lääkekehitystä ja käyttämään pääomaansa tehokkaammin kuin kilpailijat, jotka edelleen luottavat vanhoihin menetelmiin.