‘Lichaam-op-een-Chip’ Microfluidische Oplossingen om 3D-Printen te Benutten

Het Behoefte aan Beter LichaamsLab Modellen

Het vinden en testen van nieuwe medicijnen is altijd een complex en duur proces. Historisch gezien was het volledig afhankelijk van het testen van de nieuwe producten op dieren en mensen.

Onlangs is in-vitro testen gebruikt om te zien wat een potentieel nieuw farmaceutisch product kan doen met specifieke celtypen.

Echter, de relevantie van in-vitro studies is altijd onzeker, omdat het hele lichaam, dier of mens, heel anders is dan alleen een celcultuur. Een anti-kanker chemisch middel kan worden opgenomen door de darm, omgezet in een nieuw molecuul door de lever en onverwachte effecten hebben op de hersenen. Geen van deze processen zal correct worden geïdentificeerd met alleen een cultuur van kankercellen.

Dit is verre van alleen een academisch probleem, aangezien veel potentiële medicijnen falen in fase I van klinische onderzoeken, waardoor veiligheidsproblemen aan het licht komen die dier- en in-vitro onderzoeken niet vroeg genoeg hebben geïdentificeerd.

Dit kost op zijn beurt veel geld en verhoogt de kosten van toekomstige levensreddende medicijnen.

Source: Research Gate

Gelukkig kan een nieuwe technologie te hulp komen, met een veel nauwkeurigere simulatie van een volledig lichaam in laboratoriumomstandigheden.

Organ-op-een-Chip

“Body-on-a-chip”, ook genoemd “human-on-a-chip” of microfysiologische systemen, proberen een volledig of een deel van een lichaam na te bootsen met celculturen.

Dit doet het door meerdere miniaturen in vitro organen (“organ-on-a-chip”) met elkaar te verbinden.

Source: Harvard 

Organ-on-a-chip is een technologie die microfluidica gebruikt om voedingsstoffen aan de celcultuur te leveren, waardoor een realistische simulatie van de diffusie van voedingsstoffen en medicijnen in een echt orgaan ontstaat.

Bijvoorbeeld, kan dit een model creëren van een “airway-on-a-chip” dat simuleert hoe de menselijke luchtwegen werken, evenals modellen van menselijke darmen, nieren of beenmerg.

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

Van Organ-op-een-Chip naar Lichaam-op-een-Chip

Door meerdere organ-on-a-chip systemen te combineren, kunt u beginnen met het creëren van delen van een volledig lichaam en de biologische processen die een medicijn in een echte patiënt zou uitvoeren, goed overwegen.

Dit kan biologische mechanismen omvatten zoals diverse als immuunrespons, opname van medicijnen in de darm, longen of bloedvaten, spiercontractie, levermetabolisme, enz.

Source: Harvard

Nogmaals, dit is cruciaal, aangezien de meeste medicijn effecten (positief en negatief) alleen kunnen worden begrepen als u meerdere organenreacties op het medicijn in overweging neemt.

Lichaam-op-een-Chip Ontwerpen

Niet alle lichaam-op-chips zijn hetzelfde, en er bestaan veel verschillende ontwerpen voor de organ-on-chip die het gehele systeem vormen. Elk heeft zijn eigen voordelen en wordt op verschillende manieren door medisch onderzoekers gebruikt.

Een manier om ze te categoriseren is door het type cel en weefsel dat wordt gebruikt. Sommige organ-on-chips gebruiken alleen één celtype (monocultuur), ondersteund door kunstmatige microstructuren of collageenlagen. Andere hebben meerdere celtypen die samen zijn geassembleerd, hetzij in sferoïden of in complexere 3D-structuren.

Source: Nature.com

Een andere manier om ze te categoriseren is door te kijken naar hoe vloeistoffen worden overgebracht in en tussen de organ-on-chips. Ze kunnen dezelfde omgevingsvloeistof delen, of worden verbonden door een aangepaste ontwerp van buizen die het bloed- of lymfevatsysteem nabootsen. De vloeistofstroom kan continu zijn of worden gecontroleerd door robotische vloeistofoverdrachten.

Ze kunnen ook worden gescheiden van de circulerende vloeistof van voedingsstoffen en medicijnen door een poreuze membraan of een laag cellen (endotheel).

Source: Nature.com

Zoals u zich kunt voorstellen, creëert deze diversiteit aan ontwerpen bijna eindeloze mogelijke combinaties. Terwijl ze al zeer nuttig zijn, zijn onderzoekers nog maar aan het begin van het ontwerpen van organ-on-chips en lichaam-op-chips en experimenteren nog om de optimale balans tussen perfecte replica’s, betrouwbaarheid en productiekosten te vinden.

Organ-op-een-Chip Markt

Organ-op-een-chip is een nieuwe technologie die nu pas voldoende volwassen is om de onderzoeksruimte te verlaten en deel te nemen aan het proces van medicijnontwikkeling. In 2023 was het een markt van $103M.

Schattingen geven aan dat de markt voor organ-op-een-chip $303M zal bereiken in 2026, met een snelle groei door het vervangen van dierproeven, waardoor een schatting voor 2027 op $529M komt. Andere prognoses zien het groeien tot $1,4 miljard in 2032, waardoor het meer dan 10 keer in 8 jaar groeit.

Lichaam-op-een-chip is nog recenter en zal zeer veel profiteren van technologische innovatie om de prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren en de kosten te verlagen.

Lichaam-op-een-Chip Toepassingen

Farmacokinetiek

Een belangrijk kenmerk van medicijnen dat diep de effectiviteit en potentieel giftigheid beïnvloedt, is “farmacokinetiek”. In eenvoudige bewoordingen is het hoe snel het medicijn zal diffunderen in het lichaam en in elk orgaanweefsel afzonderlijk.

Dit is moeilijk te voorspellen op papier of met computermodellen, aangezien het afhankelijk is van hoe de darmen, bloedbaan en organen op een specifiek chemisch middel zullen reageren.

Hiervoor zijn zo compleet mogelijke lichaam-op-chips vereist, met het instelpunt van het medicijn dat varieert of het oraal (maag en darmen), in aerosolen (longen) of intraveneus (bloedbaan) wordt toegediend.

Source: Nature.com

Geïndividualiseerde Geneeskunde

Een andere grote belofte van lichaam-op-een-chip is het potentieel voor geïndividualiseerde geneeskunde. Steeds meer onderzoekers en biotech-startups zoeken naar het ontwikkelen van medicijnen die niet alleen voor “mensen” als geheel zijn bedoeld, maar aangepast aan subcategorieën (geslacht, afkomst, leeftijd, genetisch profiel, enz.) tot aan de individuele patiënt.

Dankzij hun hoge reproduceerbaarheid, geen gezondheidsrisico’s en lagere kosten, kunnen ze veel klinische onderzoeken vervangen bij het fijn afstemmen van een medicijn in de vroege stadia van ontwikkeling.

Bijvoorbeeld, kunnen ze helpen bij het identificeren van alternatieve medicijnkandidaten wanneer veiligheidsproblemen ontstaan, vooral als het probleem alleen een specifieke subpopulatie aangaat.

Source: Nature.com

Aanvankelijk zullen lichaam-op-chips voornamelijk moeten aantonen dat ze superieur zijn aan bestaande in-vitro en dierstudies.

Het uiteindelijke doel zal echter zijn om klinische onderzoeken in-vivo bij patiënten nauwkeurig na te bootsen.

In een nog verder verleden kunnen we ons voorstellen dat lichaam-op-chips met de cellen van de patiënt zelf kunnen worden gebruikt om vooraf te voorspellen hoe ze op verschillende medicijnen zullen reageren en de beste therapeutische methode kunnen bepalen.

3D-Printen om Lichaam-op-Chips te Maken

Echte organen zijn complexe 3D-structuren met een ingewikkeld mengsel van verschillende cellen en weefsels.

Om de organ-on-chip die het volledige lichaam-op-chip vormt realistisch te simuleren, moet het productieproces een bijna exacte replica van echte orgaanweefsels creëren. Of, in de toekomst, misschien zelfs volledig gegroeide organen.

Dit zal alleen mogelijk zijn dankzij een opkomende technologie genaamd bioprinten.

Het hergebruikt het belangrijkste principe van 3D-printen: een spuitmond wordt door een computer gecontroleerd en de gewenste materiaal op de juiste plaats afgezet, beetje bij beetje. Maar in plaats van plastic of metaal af te zetten, worden levende cellen afgezet.

Bioprinten is geëvolueerd in parallel met orgaan- en lichaam-op-chip technologie, met aanvankelijk meer focus op het oplossen van de technologische moeilijkheid in “printen” met cellen.

Momenteel is de industrie nog grotendeels afhankelijk van kunstmatige scaffolding om structuur te geven aan de geprinte cellen. Echter, er is vooruitgang geboekt in het creëren van 3D-geprinte organen die meer op echte organen lijken.

Dus, als de huidige organ-on-chip voornamelijk een sjabloon van de meerdere lagen die orgaanweefsels vormen, nabootst, kan het combineren met geavanceerde bioprintmethoden nog realistischere simulaties creëren.

Als u meer wilt lezen, hebben we bioprinten diepgaand onderzocht in onze artikelen “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks” en “New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue”.

Bioprinten en Lichaam-op-een-Chip Bedrijven

1. BICO Group AB (BICO.ST)

In 2021 werd Cellink omgedoopt tot BICO Group, na de overname van Cytena labautomatiseringstools in 2019 en Scienion high-precision micro-drop metingstools in 2020.

Cellink is nog steeds de merknaam voor het bioprintgedeelte van het bedrijf.

Terwijl het niet alleen is in het veld, is Cellink duidelijk een zeer geavanceerde bioprintapparatuurfabrikant, met een focus op het leveren van onderzoekers in biotech en biomedische wetenschappen.

Op de lange termijn zullen bioprintbedrijven waarschijnlijk evolueren van het leveren van tools aan onderzoekers naar het worden van leveranciers van farmaceutische bedrijven bioprinttherapieën voor patiënten. Dit zal op zijn beurt het aantal bioprinters in gebruik en, belangrijker nog, het volume van verbruiksartikelen dat elke maand wordt verkocht, volledig veranderen.

Dit is hetzelfde proces dat heeft plaatsgevonden voor andere biolabapparatuurfabrikanten, waaronder genoomsequencingmachines van PacBio (PACB) en Illumina (ILMN), die uiteindelijk 80% van hun inkomsten uit verbruiksartikelen zijn gaan halen.

2. Organovo

Organovo’s eigen technologie gebruikt 3D-geprinte humane weefsels om belangrijke aspecten van echte humane weefsels na te bootsen, waaronder samenstelling, architectuur, functie en ziekte.

Dit werd gebruikt om nieuwe moleculen met therapeutisch potentieel te vinden. Door eerst de potentieel moleculen te valideren in het 3D-weefselmodel, hoopt het bedrijf het risico van mislukkingen in klinische onderzoeken te verkleinen, vanwege een meer realistisch in-vitro cellulair model voordat enig testen op mensen wordt gedaan.

Organovo’s pipeline is gericht op Inflammatory Bowel Disease (IFD) en leverfibrose, met één programma in fase 2/3 van het klinische onderzoek en één in fase 1. De resultaten van fase 2a POC worden verwacht in 2H 2025.

Source: Organovo

Er waren 2,1 miljoen gevallen in de VS in 2022 en 13 miljoen gevallen wereldwijd van ulceratieve colitis, een vorm van IFD, wat een markt van $6,6 miljard vertegenwoordigt. Het wordt ook verwacht dat het zal blijven groeien met een jaarlijks groeipercentage van 6% tot 2032, tot een markt van $12 miljard.

Aangezien Organovo een realistische simulatie van het darmslijmvlies heeft, met gepolariseerd epithelium en interstitiële laag, is het waarschijnlijk dat ze een goede weergave in-vitro hebben van hoe hun medicijn zal werken voor een patiënt.

Source: Organovo

Het is waarschijnlijk dat naarmate lichaam-op-chip een meer volwassen technologie wordt, de aanpak van Organovo om 3D-geprinte humane weefsels te gebruiken meer waarschijnlijk zal worden om vroeg potentieel problemen in medicijnontwikkeling te voorspellen.

Dit zal op zijn beurt helpen om medicijnontdekking te versnellen en het kapitaal efficiënter te gebruiken dan concurrenten die nog steeds vertrouwen op oude methoden.