‘Body-On-Chip’ Mikrofluidinen Ratkaisu 3D-Tulostamisen Hyödyntämiseksi

Parannettujen Kehon Mallien Tarve

Uusien lääkeaineiden löytäminen ja testaaminen on aina monimutkainen ja kallis prosessi. Historiallisesti se perustui kokonaan uusien tuotteiden testaamiseen eläimillä ja ihmisillä.

Viimeaikaisemmin on käytetty in-vitro-testausta nähdäkseen, mitä mahdollinen uusi lääkeaine voisi tehdä tietynlaisille solutyypeille.

Kuitenkin in-vitro-tutkimusten merkitys on aina epävarmaa, koska koko keho, eläin tai ihminen, on hyvin erilainen kuin pelkästään solukulttuuri. Syöpää vastaan tehty kemikaali saattaa imeytyä suolistosta, muuntua uudeksi molekyyliksi maksassa ja aiheuttaa odottamattomia vaikutuksia aivoihin. Näitä prosesseja ei voida osoittaa oikein pelkästään syöpäsolukulttuurilla.

Tämä on kaukana pelkästään akateemisesta asiasta, koska monet mahdolliset lääkkeet epäonnistuvat kliinisten kokeiden vaiheessa I, paljastaen turvallisuusongelmia, joita eläin- ja in-vitro-tutkimukset eivät ole voineet tunnistaa ajoissa.

Tämä vaikuttaa vuorostaan paljon rahaa ja lisää tulevien elämän pelastavien lääkkeiden kustannuksia.

Source: Research Gate

Onneksi uusi teknologia saattaa tulla apuun, tarjoamalla paljon tarkemman kehon simuloinnin laboratorio-olosuhteissa.

Elinten Malleja Mikropiirillä

“Keho mikropiirillä”, jota kutsutaan myös “ihmisen mikrofysiologisiksi järjestelmiksi”, pyrkii jäljittelemään kehoa kokonaisuutena tai osittain solukulttuureilla.

Tämä tapahtuu yhdistämällä useita miniatyyri- elinten malleja (“elinten mikropiiri”).

Source: Harvard 

Elinten mikropiiri on teknologia, joka käyttää mikrofluidiikkaa solukulttuurin ravinnonsaantiin, luomalla realistisen simuloinnin ravinteiden ja lääkkeiden diffuusiosta oikeaan elimeen.

Esimerkiksi voidaan luoda “ilmatiehyt mikropiirillä”, joka simuloisi, miten ihmisen ilmatiet ovat, sekä malleja ihmisen suolistosta, munuaisista tai luuydimestä.

https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543

Elinten Mikropiiristä Kehon Mikropiiriin

Yhdistämällä useita elinten mikropiiri-järjestelmiä, voidaan aloittaa kehon osien luominen ja ottaa huomioon biologiset prosessit, joita lääkeaine suorittaa oikeassa potilaassa.

Tämä voi merkitä biologisia mekanismeja, kuten immuunivaste, lääkeaineen imeytyminen suolistossa, keuhkoissa tai verisuonissa, lihasten supistuminen, maksan aineenvaihdunta jne.

Source: Harvard

Uudelleen, tämä on tärkeää, koska useimpien lääkeaineiden vaikutukset (myönteiset ja kielteiset) voidaan ymmärtää vain, jos otetaan huomioon useiden eri elinten reaktiot siihen.

Kehon Mikropiirin Suunnittelut

Kaikki kehon mikropiirit eivät ole tehty samalla tavalla, ja niitä on monia eri suunnittelumalleja, joita käytetään elinten mikropiirien rakentamiseen. Jokaisella on omat edut ja ne käytetään eri tavoilla lääketieteellisissä tutkimuksissa.

Yksi tapa luokitella niitä on solujen ja kudosten tyypin mukaan. Jotkut elinten mikropiirit käyttävät vain yhtä solutyyppiä (monokulttuuri), jota tukevat joko keinotekoiset mikrorakenteet tai kollageenikerrokset. Toiset koostuvat useista solutyypeistä, jotka on koottu yhteen joko sferoideina tai monimutkaisemmissa 3D-rakenteissa.

Source: Nature.com

Toinen luokittelutapa tutkii, miten nesteet siirretään elinten mikropiirien sisällä. Ne voivat jakaa saman ympäristönesteen tai olla yhdistettyjä erityisellä putkistojärjestelmällä, joka jäljittelee veren- tai imusolmukkeiden järjestelmää. Nesteen virtaus voi olla jatkuva tai ohjattu robotillisilla nestesiirroilla.

Ne voidaan myös erottaa kiertävän ravinnon ja lääkeaineiden nesteen virtauksesta huokosella tai kerroksella soluja (endotheelium).

Source: Nature.com

Kuten voit kuvitella, tämä suunnittelumallien monimuotoisuus luo lähes loputtoman määrän mahdollisia yhdistelmiä. Vaikka ne ovat jo hyvin hyödyllisiä, tutkijat ovat vasta aloittamassa elinten mikropiirien ja kehon mikropiirien suunnittelua ja ovat edelleen kokeilemassa löytääkseen optimaalisen tasapainon täydellisten jäljennösten, luotettavuuden ja tuotantokustannusten välillä.

Elinten Mikropiirin Markkinat

Elinten mikropiiri on uusi teknologia, joka on vasta saavuttamassa kypsiyttään poistuaan tutkimuslaboratoriosta ja astua lääkekehitysprosessiin. Vuonna 2023 se oli 103 miljoonan dollarin markkinat.

Arviot asettavat elinten mikropiirin markkinan 303 miljoonaan dollariin vuoteen 2026 mennessä, ja nopea kasvu eläinten testaamisen korvaamisesta arvioi vuoden 2027 markkinaksi 529 miljoonaksi dollariksi. Muiden ennusteiden mukaan se kasvaa 1,4 miljardiin dollariin vuoteen 2032 mennessä, tehdessä yli 10-kertaisen kasvun 8 vuodessa.

Kehon mikropiiri on vielä uudempaa ja hyötyy suuresti teknologisen innovaation parantamisesta sen suorituskyvyn, luotettavuuden ja kustannusten vähentämiseksi.

Kehon Mikropiirin Sovellukset

Farmakokinetiikka

Lääkeaineiden tärkeä ominaisuus, joka vaikuttaa niiden tehokkuuteen ja mahdolliseen myrkyllisyyteen, on “farmakokinetiikka”. Yksinkertaisemmin sanottuna se on, miten nopeasti lääkeaine leviää kehossa ja kunkin elimen kudoksissa yksilöllisesti.

Tämä on vaikea ennustaa paperilla tai tietokoneella, koska se riippuu siitä, miten suoliston, verenkierroksen ja elinten reagoi tiettyyn kemikaaliin.

Tähän tarvitaan mahdollisimman täydellisiä kehon mikropiirejä, joissa lääkeaineen sisääntulopiste vaihtelee sen mukaan, onko se annettu suun kautta (suoli ja suoliston), aerosoleina (keuhkot) vai laskimoon (verenkierros).

Source: Nature.com

Personalisoidut Lääkkeet

Kehon mikropiirin toinen suuri lupaava sovellus on personalisoidun lääkehoidon mahdollisuus. Tutkijat ja biotekniikkayritykset etsivät yhä enemmän keinoja kehittää lääkkeitä, jotka eivät ole ainoastaan “ihmisille” yleensä, vaan sovellettu tiettyihin alaryhmiin (sukupuoli, alkuperä, ikä, geneettinen profiili jne.) ja jopa yksilöllisesti potilaalle.

Kiitos korkeasta toistettavuudestaan, ei terveydellisistä riskeistä ja alhaisemmasta kustannuksesta, ne voivat korvata useita kliinisiä kokeita lääkkeen hienosäätössä kehityksen alkuvaiheessa.

Esimerkiksi ne voivat auttaa vaihtoehtoisten lääkeaineiden tunnistamisessa, kun turvallisuusongelmia ilmenee, erityisesti jos ongelma vaikuttaa vain tiettyyn alaryhmään.

Source: Nature.com

Aluksi kehon mikropiirit joutuvat osoittamaan ylivoimaisuutensa nykyisiin in-vitro- ja eläintutkimuksiin nähden.

Lopullinen tavoite on kuitenkin tarkka jäljennös in-vivo-potilastutkimuksista.

Etäisemmässä tulevaisuudessa voimme kuvitella, että kehon mikropiirit, jotka sisältävät potilaan omat solut, voivat olla käytössä ennustamaan etukäteen reaktiota eri lääkkeisiin ja määrittämään paras terapeuttinen menetelmä.

3D-Tulostus Kehon Mikropiirien Valmistamiseen

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

Jotta elinten mikropiiri, joka muodostaa koko kehon mikropiirin, voisi realistisesti simuloida oikean elimen, on valmistusprosessin luotava lähes täydellinen jäljennös oikean elimen kudoksista. Tai ehkä jopa täysin kasvatettuja elimiä tulevaisuudessa.

Tämä on mahdollista vain biotulostuksen kaltaisen teknologian ansiosta.

Se käyttää 3D-tulostuksen perusperiaatetta: tietokoneohjattu suutin deponoi halutun materiaalin oikeaan paikkaan, osa kerrallaan. Mutta sen sijaan, että deponoitaisiin muovia tai metallia, deponoidaan eläviä soluja.

Biotulostus on kehittynyt rinnakkain elinten ja kehon mikropiiriteknologian kanssa, aluksi enemmän keskittyen ratkaisemaan teknisen haasteen “tulostamisessa” soluilla.

Tällä hetkellä teollisuus riippuu edelleen pääasiassa keinotekoisista tukirakenteista tulostettujen solujen antamaan rakennetta. Kuitenkin on tehty edistystä luomalla 3D-tulostettuja elimiä, jotka ovat enemmän kaltaisia orgaanisia.

Joten, jos nykyinen elinten mikropiiri lähinnä jäljittelee monikerroksisen elimen kudosten mallia, yhdistämällä sen edistyneisiin biotulostusmenetelmiin, voidaan luoda vielä realistisempia simulaatioita.

Jos haluat lukea lisää, olemme käsitelleet biotulostusta yksityiskohtaisesti artikkeleissamme “Elinten Tuottaminen Tarpeen Mukaan: Parhaat 3D-Biotulostusosakkeet” ja “Uusi Tekniikka Mahdollistaa Toimivan Aivokudoksen 3D-Tulostamisen“.

Biotulostus- ja Kehon Mikropiiriyritykset

1. BICO Group AB (BICO.ST)

Vuonna 2021 Cellink nimettiin uudelleen BICO Groupiksi sen jälkeen, kun se oli hankkinut Cytenan laboratoriotekniikan automaatiovälineet vuonna 2019 ja Scienionin mikropisaroiden mittausvälineet vuonna 2020.

Cellink on edelleen biotulostusliiketoiminnan brändinimi.

Vaikka se ei ole ainoa alallaan, Cellink on selvästi erittäin edistynyt biotulostuslaitteiden valmistaja, jolla on painopistettä toimittaa tutkijoille biotekniikka- ja biolääketieteessä.

Pitkällä aikavälillä biotulostusyritykset ovat todennäköisesti kehittyvä muuttumaan tutkimusvälineiden toimittajista lääkeyritysten biotulostuslääkehoitojen toimittajiksi potilaille. Tämä muuttaa täysin biotulostimien määrää käytössä ja, mikä on tärkeämpää, kulutusmateriaalien myyntimäärää joka kuukausi.

Tämä on sama prosessi, joka on tapahtunut muiden biolaboratoriolaitteiden valmistajille, kuten genomin sekvensointikoneille PacBiolta (PACB) ja Illuminalta (ILMN), jotka lopulta tekevät 80 %:n tuotostaan toistuvista kulutusmateriaalien myynneistä.

2. Organovo

Organovon oma teknologia käyttää 3D-tulostettuja ihmisen kudoksia jäljitelläkseen tärkeitä ihmisen kudosten ominaisuuksia, mukaan lukien koostumus, arkkitehtuuri, toiminta ja sairaus.

Tätä käytetään uusien molekyylien löytämiseen, joilla on terapeuttinen potentiaali. Vahvistamalla ensin molekyylien potentiaalin 3D-kudoksimalleissa, yhtiö toivoo vähentävänsä riskiä epäonnistumisista kliinisissä kokeissa johtuen realistisemmasta in-vitro-solumallista ennen kuin mitään testausta tehdään ihmisillä.

Organovon tuotekehitys on keskittynyt tulehduskipuun (IFD) ja maksan fibroosiin, joista yksi on vaiheessa 2/3 ja toinen vaiheessa 1. Vaiheen 2a POC-tulokset odotetaan vuoden 2025 jälkipuoliskolla.

Source: Organovo

Vuonna 2022 Yhdysvalloissa oli 2,1 miljoonaa tapausta ja maailmanlaajuisesti 13 miljoonaa tapausta haavaista paksusuolentulehdusta, joka on tyyppi IFD:stä, edustaen 6,6 miljardin dollarin markkinaa. Se odotetaan myös jatkavan kasvuaan 6 %:n vuosittaisella kasvuvauhtia vuoteen 2032, jolloin markkinan koko on 12 miljardia dollaria.

Koska Organovo käyttää realistista simulaatiota suolen kudoksesta, jossa on polarisoitunut epitheli ja intersitielli kerros, on todennäköistä, että heillä on hyvä edustus in-vitro-siitä, miten heidän lääkeaineensa vaikuttaa potilaaseen.

Source: Organovo

On todennäköistä, että kun kehon mikropiiri tulee aikanaan tarkemmaksi teknologiaksi, Organovon lähestymistapa käyttää 3D-tulostettuja ihmisen kudoksia tulee todennäköisemmin ennustamaan varhaisia potentiaalisia ongelmia lääkekehityksessä.

Tämä puolestaan auttaa nopeuttamaan lääkekehitystä ja käyttämään pääomaa tehokkaammin kuin kilpailijat, jotka edelleen luottavat vanhempiin menetelmiin.