Biotechnologie
‘Body-On-Chip’-microfluïdische oplossingen om 3D‑printen te benutten
De noodzaak voor betere lichaamslabmodellen
Finding and testing new drugs is always a complex and expensive process. Historically, it was entirely reliant on testing the new products on animals and humans.
Meer recentelijk wordt in‑vitro testen gebruikt om te zien wat een potentieel nieuw geneesmiddel kan doen met specifieke celtypen.
Echter is de relevantie van in‑vitro studies altijd onzeker, omdat het hele lichaam, dier of mens, zeer verschillend is van slechts een celcultuur. Een anti‑kankerstof kan door de darm worden geabsorbeerd, door de lever worden omgezet in een nieuw molecuul, en onverwachte effecten op de hersenen hebben. Geen van deze processen zal correct worden geïdentificeerd met alleen een kankercelcultuur.
Dit is verre van een louter academisch probleem, aangezien veel potentiële geneesmiddelen falen in fase I van klinische proeven, waarbij veiligheidsproblemen aan het licht komen die dier‑ en in‑vitro studies niet vroeg genoeg hebben geïdentificeerd.
Dit kost op zijn beurt veel geld en verhoogt de kosten van toekomstige levensreddende geneesmiddelen.
Bron: Research Gate
Gelukkig kan een nieuwe technologie op de horizon verschijnen, met een veel nauwkeurigere simulatie van een volledig lichaam in laboratoriumomgevingen.
Organ-on-a-chip
“Body-on-a-chip”, ook wel “human-on-a-chip” of micro‑fysiologische systemen genoemd, probeert een volledig of gedeeltelijk lichaam te repliceren met celculturen.
Daartoe verbindt het meerdere miniatuur in‑vitro organen (“organ-on-a-chip”).
Bron: Harvard
Organ-on-a-chip is een technologie die microfluidica gebruikt om voedingsstoffen aan de celcultuur te leveren, waardoor een realistische simulatie ontstaat van de diffusie van voedingsstoffen en geneesmiddelen in een echt orgaan.
Zo kan er bijvoorbeeld een model van een “airway-on-a-chip” worden gecreëerd dat simuleert hoe de menselijke luchtwegen werken, evenals modellen van menselijke darmen, niers, of beenmerg.
https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543
Van organ-on-a-chip naar body-on-a-chip
Door meerdere organ-on-a-chip-systemen te combineren, kun je delen van een volledig lichaam creëren en de biologische processen die een geneesmiddel in een echte patiënt zou ondergaan, goed in overweging nemen.
Dit kan biologische mechanismen omvatten die zo divers zijn als immuunrespons, geneesmiddelenabsorptie in de darm, longen of bloedvaten, spiercontractie, levermetabolisme, enz.
Bron: Harvard
Nogmaals, dit is cruciaal, omdat de meeste geneesmiddeleneffecten (positief en negatief) alleen begrepen kunnen worden als men rekening houdt met de reacties van vele verschillende organen.
Body-on-chip-ontwerpen
Niet alle body-on-chips worden op dezelfde manier gemaakt, en er bestaan veel verschillende ontwerpen voor de organ-on-chip die wordt gebruikt om het volledige systeem te bouwen. Elk heeft zijn eigen voordelen en wordt verschillend gebruikt door medische onderzoekers.
Een manier om ze te categoriseren is op basis van het type cellen en weefsels dat wordt gebruikt. Sommige organ-on-chips gebruiken slechts één celtype (monocultuur), ondersteund door kunstmatige microstructuren of collageenlagen. Andere hebben meerdere celtypen die samen zijn samengesteld, hetzij in sferoïden of in meer complexe 3D-structuren.
Bron: Nature.com
Een andere categorisatiemethode onderzoekt hoe vloeistoffen in en tussen de organ-on-chips worden overgebracht. Ze kunnen dezelfde omgevingsvloeistof delen, of via op maat gemaakte buizen die het bloed- of lymfestelsel nabootsen, met elkaar verbonden zijn. De vloeistofstroom kan continu zijn of worden gecontroleerd door robotische vloeistofoverdrachten.
Ze kunnen ook gescheiden worden van de circulerende vloeistof van voedingsstoffen en geneesmiddelen door een poreus membraan of een laag cellen (endotheel).
Bron: Nature.com
Zoals je je kunt voorstellen, creëert deze diversiteit aan ontwerpen bijna eindeloze mogelijke combinaties. Dus hoewel ze al zeer nuttig zijn, staan onderzoekers nog maar aan het begin van het ontwerpen van organ-on-chips en body-on-chips en experimenteren ze nog om de optimale balans te vinden tussen perfecte replica’s, betrouwbaarheid en productiekosten.
Organ-on-chipmarkt
Organ-on-chip is een nieuwe technologie die nu pas voldoende volwassenheid bereikt om het onderzoeks‑lab te verlaten en de geneesmiddelenontwikkelingsprocedure binnen te treden. In 2023 bedroeg de markt $103 miljoen.
Schattingen plaatsen de markt voor organ-on-chip op $303 miljoen tegen 2026, met een snelle groei door het vervangen van dierproeven, waardoor een schatting voor 2027 op $529 miljoen ligt. Andere prognoses zien een groei tot $1,4 miljard tegen 2032, meer dan 10‑voudig in 8 jaar.
Body-on-chip is nog recenter en zal sterk profiteren van technologische innovatie om de prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren en de kosten te verlagen.
Body-on-chip-toepassingen
Farmacokinetiek
Een belangrijk kenmerk van geneesmiddelen dat hun effectiviteit en potentiële toxiciteit sterk beïnvloedt, is “farmacokinetiek”. Simpel gezegd, is het hoe snel het geneesmiddel door het lichaam en de weefsels van elk orgaan afzonderlijk diffundeert.
Dit is moeilijk te voorspellen op papier of met computermodellen, omdat het afhangt van hoe de darmen, de bloedbaan en de organen reageren op een specifieke chemische stof.
Hiervoor zijn zo volledig mogelijke body-on-chips vereist, waarbij het toegangs punt van het geneesmiddel varieert afhankelijk of het oraal (maag en darmen), in aerosolen (longen) of intraveneus (bloedbaan) wordt toegediend.
Bron: Nature.com
Gepersonaliseerde geneeskunde
Een andere grote belofte van body-on-chip is het potentieel voor gepersonaliseerde geneeskunde. Steeds meer zoeken onderzoekers en biotech‑startups naar het ontwikkelen van geneesmiddelen niet alleen voor “mensen” in het algemeen, maar aangepast aan subcategorieën (geslacht, afkomst, leeftijd, genetisch profiel, enz.) tot op de individuele patiënt.
Dankzij hun hoge reproduceerbaarheid, geen gezondheidsrisico’s en lagere kosten, kunnen ze veel klinische proeven voordelig vervangen bij het verfijnen van een geneesmiddel in de vroege ontwikkelingsfase.
Zo kunnen ze bijvoorbeeld helpen bij het identificeren van alternatieve geneesmiddelkandidaten wanneer veiligheidsproblemen zich voordoen, vooral als het probleem alleen een specifieke subpopulatie treft.
Bron: Nature.com
Aanvankelijk zullen body-on-chips voornamelijk hun superioriteit ten opzichte van bestaande in‑vitro‑ en dierstudies moeten aantonen.
Echter, het uiteindelijke doel zal de nauwkeurige replicatie van in‑vivo klinische proeven bij patiënten zijn.
In een nog verder verre toekomst kunnen we ons voorstellen dat body-on-chips die de eigen cellen van de patiënt bevatten, kunnen worden gebruikt om vooraf de reactie op verschillende geneesmiddelen te voorspellen en de beste therapeutische methode te bepalen.
3D-printen om Body-on-chips te helpen maken
Echte organen zijn complexe 3D-structuren met een ingewikkelde mix van verschillende cellen en weefsels.
Om de organ-on-chip die het volledige body-on-chip vormt realistisch te laten simuleren, is er een behoefte aan een productieproces dat een bijna exacte replica van echte orgaanweefsels creëert. Of, in de toekomst, misschien zelfs volledig uitgegroeide organen.
Dit zal alleen mogelijk zijn dankzij een opkomende technologie genaamd bioprinten.
Het hergebruikt het sleutelprincipe van 3D-printen: een nozzle wordt door een computer aangestuurd en deponeert het gewenste materiaal stap voor stap op de juiste plaats. Maar in plaats van plastic of metaal te deponeren, worden levende cellen gedeponeerd.
Bioprinten is parallel geëvolueerd aan organ‑ en body‑on‑chip‑technologie, met aanvankelijk meer focus op het oplossen van de technologische moeilijkheid van het “printen” met cellen.
Momenteel vertrouwt de industrie nog grotendeels op kunstmatige scaffoldings om structuur te geven aan de geprinte cellen. Er is echter vooruitgang geboekt in het creëren van 3D‑geprinte organen die meer lijken op organen uit de natuur.
Dus, als de huidige organ-on-chip voornamelijk een sjabloon van de meerdere lagen die een orgaanweefsel vormen, nabootst, kan het combineren met geavanceerde bioprintmethoden nog realistischere simulaties opleveren.
Als je meer wilt lezen, hebben we bioprinten diepgaand onderzocht in onze artikelen “Organen Op Aanvraag: Beste 3D Bioprinting Aandelen” en “Nieuwe techniek maakt 3D-printen van functioneel hersenweefsel mogelijk“.
Bioprinten en Body-on-chipbedrijven
1. BICO Group AB (BICO.ST)
In 2021 werd Cellink hernoemd tot de BICO Group, na de overname van Cytena laboratoriumautomatiseringstools in 2019 en Scienion high‑precision micro‑drop meetinstrumenten in 2020.
Cellink blijft de merknaam voor het bioprint‑gedeelte van het bedrijf.
Hoewel niet de enige in het veld, is Cellink duidelijk een zeer geavanceerde fabrikant van bioprint‑apparatuur, met een focus op het leveren aan onderzoekers in biotech en biomedicine.
Op de lange termijn zullen bioprint‑bedrijven waarschijnlijk evolueren van het leveren van gereedschap aan onderzoekers naar het worden van leveranciers van bioprint‑therapieën voor farmaceutische bedrijven voor patiënten. Dit zal op zijn beurt het aantal gebruikte bioprinters volledig veranderen en, belangrijker nog, het volume aan verbruiksartikelen dat elke maand wordt verkocht.
Dit is hetzelfde proces dat plaatsvond bij andere fabrikanten van biolab‑apparatuur, waaronder genome‑sequencing machines van PacBio (PACB) en Illumina (ILMN), die uiteindelijk 80 % van hun omzet genereren uit terugkerende verkoop van verbruiksartikelen.
2. Organovo
(ONVO )
De eigen technologie van Organovo gebruikt 3D‑geprinte menselijke weefsels om belangrijke aspecten van echte menselijke weefsels na te bootsen, inclusief samenstelling, architectuur, functie en ziekte.
Dit werd gebruikt om nieuwe moleculen met therapeutisch potentieel te vinden. Door eerst de potentiële moleculen te valideren in het 3D‑weefselmodel hoopt het bedrijf het risico op mislukkingen in klinische proeven te verminderen, dankzij een realistischer in‑vitro celmodel voordat er testen op mensen worden uitgevoerd.
De pijplijn van Organovo richt zich op Inflammatoire Darmziekte (IFD) en leverfibrose, met één programma in fase 2/3 van de klinische proef en één in fase 1. De resultaten van de fase 2a POC worden verwacht in de tweede helft van 2025.
Bron: Organovo
Er waren in 2022 2,1 miljoen gevallen in de VS en 13 miljoen gevallen wereldwijd van colitis ulcerosa, een vorm van IFD, wat een markt van $6,6 miljard vertegenwoordigt. Er wordt ook verwacht dat deze markt tot 2032 met 6 % CAGR blijft groeien, tot een markt van $12 miljard.
Aangezien Organovo een realistische simulatie van het intestinale weefsel gebruikt, met gepolariseerd epitheel en interstitiële laag, is het waarschijnlijk dat ze een goede in‑vitro representatie hebben van hoe hun geneesmiddel zal werken voor een patiënt.
Bron: Organovo
Het is waarschijnlijk dat naarmate body-on-chip een meer volwassen technologie wordt, de aanpak van Organovo om 3D‑geprinte menselijke weefsels te gebruiken, nog meer geschikt zal zijn om vroegtijdige potentiële problemen in de geneesmiddelenontwikkeling te voorspellen.
Dit zou op zijn beurt moeten helpen om de geneesmiddelenontdekking te versnellen en het kapitaal efficiënter te gebruiken dan concurrenten die nog steeds op oudere methoden vertrouwen.
