Solusi Mikrofluida ‘Body-On-Chip’ untuk Memanfaatkan Pencetakan 3D

Kebutuhan Akan Model Laboratorium Tubuh yang Lebih Baik

Menemukan dan menguji obat baru selalu merupakan proses yang kompleks dan mahal. Secara historis, proses ini sepenuhnya bergantung pada pengujian produk baru pada hewan dan manusia.

Baru-baru ini, pengujian in-vitro telah digunakan untuk melihat apa yang dapat dilakukan farmasi baru potensial pada jenis sel tertentu.

Namun, relevansi studi in-vitro selalu tidak pasti, karena seluruh tubuh, baik hewan maupun manusia, sangat berbeda dari sekadar kultur sel. Sebuah senyawa anti-kanker mungkin diserap oleh usus, diproses menjadi molekul baru oleh hati, dan memiliki efek tak terduga pada otak. Tidak ada proses ini yang akan teridentifikasi dengan benar hanya dengan kultur sel kanker.

Ini jauh dari sekadar masalah akademis, karena banyak obat potensial gagal pada fase I uji klinis, mengungkap masalah keamanan yang tidak teridentifikasi cukup awal oleh studi hewan dan in-vitro.

Hal ini pada gilirannya menelan banyak biaya dan meningkatkan biaya obat penyelamat hidup di masa depan.

Sumber: Research Gate

Untungnya, teknologi baru mungkin akan datang untuk menyelamatkan, dengan simulasi yang jauh lebih akurat dari seluruh tubuh dalam pengaturan laboratorium.

Organ-On-A-Chip

“Body-on-a-chip,” yang juga disebut “human-on-a-chip” atau sistem mikro fisiologis, berupaya mereplikasi seluruh atau sebagian tubuh dengan kultur sel.

Untuk melakukannya, sistem ini menghubungkan beberapa organ miniatur in vitro (“organ-on-a-chip”).

Sumber: Harvard 

Organ-on-a-chip adalah teknologi yang menggunakan mikrofluida untuk menyediakan nutrisi ke kultur sel, menciptakan simulasi realistis difusi nutrisi dan obat ke dalam organ nyata.

Sebagai contoh, ini dapat membuat model “airway-on-a-chip” yang mensimulasikan cara kerja saluran napas manusia, serta model-model usus manusia, ginjal, atau sumsum tulang.

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

Dari Organ-On-A-Chip ke Body-On-A-Chip

Dengan menggabungkan beberapa sistem organ-on-a-chip, Anda dapat mulai membuat bagian-bagian dari tubuh lengkap dan mempertimbangkan secara tepat proses biologis yang akan dijalankan obat pada pasien nyata.

Ini dapat melibatkan mekanisme biologis yang beragam seperti respons imun, penyerapan obat di usus, paru, atau pembuluh darah, kontraksi otot, metabolisme hati, dll.

Sumber: Harvard

Sekali lagi, hal ini penting, karena sebagian besar efek obat (positif dan negatif) hanya dapat dipahami dengan mempertimbangkan reaksi banyak organ yang berbeda terhadapnya.

Desain Body-On-Chip

Tidak semua body-on-chip dibuat sama, dan terdapat banyak desain berbeda untuk organ-on-chip yang digunakan membangun seluruh sistem. Setiap desain memiliki keunggulan masing-masing dan digunakan secara berbeda oleh peneliti medis.

Salah satu cara mengkategorikannya adalah berdasarkan jenis sel dan jaringan yang digunakan. Beberapa organ-on-chip hanya menggunakan satu jenis sel (monokultur), didukung oleh mikrostruktur buatan atau lapisan kolagen. Lainnya memiliki beberapa jenis sel yang dirakit bersama, baik dalam bentuk spheroid maupun struktur 3D yang lebih kompleks.

Sumber: Nature.com

Metode kategorisasi lain meneliti bagaimana cairan dipindahkan ke dalam dan antar organ-on-chip. Mereka dapat berbagi cairan lingkungan yang sama, atau dihubungkan melalui tabung desain khusus yang meniru sistem peredaran darah atau limfatik. Aliran cairan dapat bersifat kontinu atau dikendalikan oleh transfer cairan robotik.

Mereka juga dapat dipisahkan dari cairan sirkulasi nutrisi dan obat oleh membran berpori atau lapisan sel (endotel).

Sumber: Nature.com

Seperti yang dapat Anda bayangkan, keberagaman desain ini menciptakan kombinasi yang hampir tak terbatas. Jadi meskipun sudah sangat berguna, peneliti masih berada pada tahap awal merancang organ-on-chip dan body-on-chip serta masih bereksperimen untuk menemukan keseimbangan optimal antara replikasi sempurna, keandalan, dan biaya produksi.

Pasar Organ-On-Chip

Organ-on-chip adalah teknologi baru yang baru kini mencapai kematangan cukup untuk keluar dari laboratorium riset dan masuk ke proses pengembangan obat. Pada tahun 2023, pasarannya sebesar $103 juta.

Perkiraan menempatkan pasar organ-on-chip pada $303 juta pada tahun 2026, dengan pertumbuhan cepat dari penggantian pengujian hewan sehingga perkiraan untuk 2027 mencapai $529 juta. Perkiraan lain melihatnya tumbuh menjadi $1,4 miliar pada tahun 2032, lebih dari 10 kali lipat dalam 8 tahun.

Body-on-chip bahkan lebih baru dan akan sangat diuntungkan oleh inovasi teknologi untuk meningkatkan kinerja dan keandalannya serta mengurangi biaya.

Aplikasi Body-On-Chip

Farmakokinetik

Karakteristik utama obat yang sangat memengaruhi efektivitas dan potensi toksisitasnya adalah “farmakokinetik”. Dengan istilah yang lebih sederhana, ini adalah seberapa cepat obat akan menyebar dalam tubuh dan jaringan masing-masing organ secara individual.

Hal ini sulit diprediksi secara teori atau model komputer, karena tergantung pada bagaimana usus, aliran darah, dan organ akan bereaksi terhadap zat kimia tertentu.

Untuk ini, diperlukan body-on-chip yang selengkap mungkin, dengan titik masuk obat bervariasi tergantung apakah diberikan secara oral (perut dan usus), dalam aerosol (paru), atau secara intravena (aliran darah).

Sumber: Nature.com

Pengobatan yang Dipersonalisasi

Janji besar lainnya dari body-on-chip adalah potensinya untuk pengobatan yang dipersonalisasi. Semakin banyak, peneliti dan startup biotek mencari mengembangkan obat tidak hanya untuk “manusia” secara keseluruhan tetapi disesuaikan dengan sub-kategori (jenis kelamin, keturunan, usia, profil genetik, dll.) hingga pasien individu.

Berkat replikabilitas tinggi, tidak ada risiko kesehatan, dan biaya yang lebih rendah, mereka dapat secara menguntungkan menggantikan banyak uji klinis dalam penyetelan obat pada tahap awal pengembangan.

Sebagai contoh, mereka dapat membantu mengidentifikasi kandidat obat alternatif ketika muncul masalah keamanan, terutama jika masalah tersebut hanya memengaruhi sub-populasi tertentu.

Sumber: Nature.com

Awalnya, body-on-chip sebagian besar harus menunjukkan keunggulannya dibandingkan studi in-vitro dan hewan yang ada.

Namun, tujuan akhir adalah replikasi akurat uji klinis in-vivo pada pasien.

Di masa depan yang lebih jauh, kita dapat membayangkan bahwa body-on-chip yang berisi sel pasien sendiri dapat digunakan untuk memprediksi sebelumnya reaksi terhadap berbagai obat dan menentukan metode terapi terbaik.

Pencetakan 3D untuk Membantu Membuat Body-On-Chip

Organ asli adalah struktur 3D yang kompleks dengan campuran rumit sel dan jaringan yang berbeda.

Agar organ-on-chip yang membentuk body-on-chip lengkap dapat mensimulasikan secara realistis kondisi nyata, diperlukan proses manufaktur yang menciptakan replika hampir persis jaringan organ asli. Atau, di masa depan, mungkin bahkan organ yang sepenuhnya tumbuh.

Hal ini hanya akan memungkinkan berkat teknologi baru yang disebut bioprinting.

Ia menggunakan kembali prinsip utama pencetakan 3D: nozzle dikendalikan oleh komputer dan menempatkan material yang diinginkan pada tempat yang tepat, sedikit demi sedikit. Namun alih-alih menempatkan plastik atau logam, ia menempatkan sel hidup.

Bioprinting telah berkembang paralel dengan teknologi organ & body-on-chip, dengan fokus awal pada penyelesaian kesulitan teknologi dalam “mencetak” dengan sel.

Saat ini, industri masih sebagian besar bergantung pada scaffold buatan untuk memberikan struktur pada sel yang dicetak. Namun, kemajuan telah dicapai dalam menciptakan organ cetak 3D yang lebih mirip dengan organ organik.

Jadi, jika organ-on-chip saat ini sebagian besar merekonstruksi templat multi-lapis yang membentuk jaringan organ, menggabungkannya dengan metode bioprinting canggih dapat menciptakan simulasi yang lebih realistis.

Jika Anda ingin membaca lebih lanjut, kami telah menelusuri bioprinting secara mendalam dalam artikel kami “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks” dan “New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue”.

Bioprinting dan Perusahaan Body-On-Chip

1. BICO Group AB (BICO.ST)

Pada tahun 2021, Cellink diubah nama menjadi BICO Group, setelah mengakuisisi alat otomasi laboratorium Cytena pada 2019 dan alat pengukuran mikro-tetes presisi tinggi Scienion pada 2020.

Cellink masih menjadi merek untuk bagian bioprinting bisnis tersebut.

Meskipun tidak sendirian di bidang ini, Cellink jelas merupakan produsen peralatan bioprinting yang sangat maju, dengan fokus menyediakan peneliti di bidang biotek dan biomedis.

Dalam jangka panjang, perusahaan bioprinting kemungkinan akan berkembang dari menyediakan alat bagi peneliti menjadi pemasok terapi bioprinting perusahaan farmasi untuk pasien. Hal ini pada gilirannya akan sepenuhnya mengubah jumlah bioprinter yang digunakan dan, yang lebih penting, volume bahan habis pakai yang terjual setiap bulan.

Ini adalah proses yang sama yang terjadi pada produsen peralatan biolab lainnya, termasuk mesin sequensing genom dari PacBio (PACB) dan Illumina (ILMN), yang pada akhirnya menghasilkan 80% pendapatan mereka dari penjualan berulang bahan habis pakai.

2. Organovo

Teknologi proprietari Organovo menggunakan jaringan manusia yang dicetak 3D untuk meniru aspek kunci jaringan manusia nyata, termasuk komposisi, arsitektur, fungsi, dan penyakit.

Ini digunakan untuk menemukan molekul baru dengan potensi terapeutik. Dengan terlebih dahulu memvalidasi molekul potensial dalam model jaringan 3D, perusahaan berharap mengurangi risiko kegagalan dalam uji klinis, berkat model sel in-vitro yang lebih realistis sebelum pengujian pada manusia dilakukan.

Pipeline Organovo berfokus pada Inflammatory Bowel Disease (IFD) dan fibrosis hati, dengan satu program berada di fase 2/3 uji klinis dan satu lagi di fase 1. Hasil POC fase 2a diperkirakan akan keluar pada paruh kedua 2025.

Sumber: Organovo

Terdapat 2,1 juta kasus di AS pada 2022 dan 13 juta kasus secara global kolitis ulseratif, bentuk IFD, yang mewakili pasar $6,6 miliar. Diperkirakan juga akan terus tumbuh dengan CAGR 6% hingga 2032, menjadi pasar $12 miliar.

Karena Organovo menggunakan simulasi realistis jaringan usus, dengan epitel terpolarisasi dan lapisan interstisial, kemungkinan mereka memiliki representasi in-vitro yang baik tentang bagaimana obat mereka akan beraksi pada pasien.

Sumber: Organovo

Kemungkinan bahwa seiring body-on-chip menjadi teknologi yang lebih matang, pendekatan Organovo yang menggunakan jaringan manusia cetak 3D akan semakin dapat memprediksi masalah potensial awal dalam pengembangan obat.

Hal ini pada gilirannya harus membantu mempercepat penemuan obat dan menggunakan modalnya lebih efisien dibandingkan pesaing yang masih mengandalkan metode lama.