‘Body-On-Chip’ Soluzioni Microfluidiche per Sfruttare la Stampa 3D

La Necessità di Migliori Modelli di Laboratorio del Corpo

La ricerca e la sperimentazione di nuovi farmaci è sempre un processo complesso e costoso. Storicamente, si è fatto affidamento esclusivamente alla sperimentazione sui animali e sugli esseri umani.

Più di recente, la sperimentazione in vitro è stata utilizzata per vedere cosa potrebbe fare un nuovo farmaco potenziale a specifici tipi di cellule.

Tuttavia, la rilevanza degli studi in vitro è sempre incerta, poiché l’intero corpo, animale o umano, è molto diverso da una semplice coltura di cellule. Un chimico anti-cancro potrebbe essere assorbito dall’intestino, elaborato in una nuova molecola dal fegato e avere effetti inaspettati sul cervello. Nessuno di questi processi sarà correttamente identificato con una semplice coltura di cellule cancerose.

Questo è lontano da essere solo un problema accademico, poiché molti farmaci potenziali falliscono nella fase I degli studi clinici, rivelando problemi di sicurezza che gli studi sugli animali e in vitro non hanno identificato in tempo utile.

Ciò, a sua volta, costa molti soldi e aumenta il costo dei futuri farmaci salvavita.

Source: Research Gate

Fortunatamente, una nuova tecnologia potrebbe arrivare in soccorso, con una simulazione molto più accurata di un corpo intero in un ambiente di laboratorio.

Organ-On-A-Chip

“Body-on-a-chip”, anche chiamato “human-on-a-chip” o sistemi microfisiologici, mira a replicare interamente o in parte un corpo con colture di cellule.

Per farlo, collega insieme più organi in vitro in miniatura (“organ-on-a-chip”).

Source: Harvard 

Organ-on-a-chip è una tecnologia che utilizza la microfluidica per fornire nutrienti alla coltura di cellule, creando una simulazione realistica della diffusione di nutrienti e farmaci in un organo reale.

Ad esempio, ciò può creare un modello di “airway-on-a-chip” che simula il funzionamento delle vie aeree umane, nonché modelli di intestino umano, reni o midollo osseo.

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

Da Organ-On-A-Chip a Body-On-A-Chip

Combinando più sistemi organ-on-a-chip, è possibile iniziare a creare parti di un corpo intero e considerare correttamente i processi biologici che un farmaco eseguirebbe in un paziente reale.

Ciò può implicare meccanismi biologici diversi come la risposta immunitaria, l’assorbimento del farmaco nell’intestino, nei polmoni o nei vasi sanguigni, la contrazione muscolare, il metabolismo epatico, ecc.

Source: Harvard

Ancora una volta, ciò è cruciale, poiché la maggior parte degli effetti dei farmaci (positivi e negativi) può essere compresa solo considerando le reazioni di molti organi diversi.

Progettazioni di Body-On-Chip

Non tutti i body-on-chip sono fatti allo stesso modo e esistono molte progettazioni diverse per l’organ-on-chip utilizzato per costruire l’intero sistema. Ognuno ha i suoi vantaggi e viene utilizzato in modo diverso dai ricercatori medici.

Un modo per categorizzarli è in base al tipo di cellule e tessuti utilizzati. Alcuni organ-on-chip utilizzano un solo tipo di cellula (monocoltura), supportato da microstrutture artificiali o strati di collagene. Altri hanno più tipi di cellule assemblate insieme, sia in sferoidi che in strutture 3D più complesse.

Source: Nature.com

Un altro metodo di categorizzazione esamina come i fluidi vengono trasferiti all’interno e tra gli organ-on-chip. Possono condividere lo stesso fluido ambientale o essere collegati attraverso un design personalizzato di tubi che replicano il sistema sanguigno o linfatico. Il flusso di liquido può essere continuo o controllato da trasferimenti di fluidi robotici.

Possono anche essere separati dal fluido circolante di nutrienti e farmaci da una membrana porosa o uno strato di cellule (endotelio).

Source: Nature.com

Come puoi immaginare, questa diversità di progettazioni crea quasi infinite combinazioni possibili. Quindi, mentre già molto utili, i ricercatori sono solo all’inizio della progettazione di organ-on-chip e body-on-chip e stanno ancora sperimentando per trovare l’equilibrio ottimale tra repliche perfette, affidabilità e costi di produzione.

Mercato di Organ-On-Chip

Organ-on-chip è una tecnologia nuova che sta solo ora raggiungendo la maturità sufficiente per uscire dal laboratorio di ricerca e entrare nel processo di sviluppo dei farmaci. Nel 2023, era un mercato di 103 milioni di dollari.

Le stime prevedono il mercato per organ-on-chip a 303 milioni di dollari entro il 2026, con una rapida crescita che sostituisce la sperimentazione sugli animali, portando a una stima per il 2027 di 529 milioni di dollari. Altre previsioni vedono il mercato crescere a 1,4 miliardi di dollari entro il 2032, facendo più di 10 volte in 8 anni.

Body-on-chip è ancora più recente e trarrà grande beneficio dall’innovazione tecnologica per migliorare le sue prestazioni e affidabilità e ridurre i costi.

Applicazioni di Body-On-Chip

Farmacocinetica

Una caratteristica chiave dei farmaci che profondamente influenza la loro efficacia e potenziale tossicità è la “farmacocinetica”. In termini più semplici, è come il farmaco si diffonderà nel corpo e nei tessuti di ogni organo individualmente.

Ciò è difficile da prevedere sulla carta o con modelli informatici, poiché dipende da come gli intestini, il sangue e gli organi reagiranno a una sostanza chimica specifica.

Per questo, sono richiesti body-on-chip il più completo possibile, con il punto di ingresso del farmaco che varia a seconda che sia somministrato per via orale (stomaco e intestini), in aerosol (polmoni) o per via endovenosa (sangue).

Source: Nature.com

Medicina Personalizzata

Un’altra grande promessa di body-on-chip è la potenziale medicina personalizzata. Sempre più, ricercatori e startup biotecnologiche stanno cercando di sviluppare farmaci non solo per “esseri umani” nel loro complesso, ma adattati a sottocategorie (sesso, ascendenza, età, profilo genetico, ecc.) fino al singolo paziente.

Grazie alla loro alta riproducibilità, senza rischi per la salute e a minor costo, possono advantageousmente sostituire molti studi clinici nel perfezionamento di un farmaco nelle prime fasi di sviluppo.

Ad esempio, potrebbero aiutare nell’identificazione di candidati farmaci alternativi quando si verificano problemi di sicurezza, specialmente se il problema colpisce solo una sottopopolazione specifica.

Source: Nature.com

Inizialmente, i body-on-chip saranno utilizzati principalmente per dimostrare la loro superiorità rispetto agli studi in vitro e sugli animali esistenti.

Tuttavia, l’obiettivo finale sarà la replica accurata degli studi clinici in vivo sui pazienti.

In un futuro ancora più lontano, potremmo immaginare che i body-on-chip contenenti le cellule del paziente stesso potrebbero essere utilizzati per prevedere in anticipo la reazione a vari farmaci e determinare il miglior metodo terapeutico.

La Stampa 3D per Aiutare a Creare Body-On-Chip

Gli organi reali sono strutture 3D complesse con una miscela intricata di diverse cellule e tessuti.

Affinché gli organ-on-chip che compongono il body-on-chip possano realisticamente simulare l’organo reale, c’è bisogno che il processo di produzione crei una replica quasi esatta dei tessuti dell’organo reale. O, nel futuro, forse anche organi completamente cresciuti.

Ciò sarà possibile solo grazie a una tecnologia emergente chiamata biostampa.