Rozwiązania mikroprzepływowe typu „body-on-chip” umożliwiające wykorzystanie druku 3D

Potrzeba lepszych modeli laboratoryjnych ciała

Znalezienie i testowanie nowych leków jest zawsze złożonym i kosztownym procesem. Historycznie rzecz biorąc, całkowicie opierało się to na testowaniu nowych produktów na zwierzętach i ludziach.

Niedawno przeprowadzono badania in vitro, aby sprawdzić, jaki potencjalny nowy lek może działać na określone typy komórek.

Jednakże znaczenie badań in vitro jest zawsze niepewne, ponieważ całe ciało, zwierzęce lub ludzkie, bardzo różni się od samej hodowli komórkowej. Substancja przeciwnowotworowa może zostać wchłonięta w jelitach, przetworzona w wątrobie w nową cząsteczkę i mieć nieoczekiwany wpływ na mózg. Żaden z tych procesów nie zostanie prawidłowo zidentyfikowany na podstawie samej hodowli komórek nowotworowych.

Nie jest to tylko kwestia akademicka, ponieważ wiele potencjalnych leków zawodzi w I fazie badań klinicznych, ujawniając problemy dotyczące bezpieczeństwa, których nie udało się zidentyfikować wystarczająco wcześnie w badaniach na zwierzętach i in vitro.

To z kolei kosztuje mnóstwo pieniędzy i zwiększa koszt przyszłych leków ratujących życie.

Źródło: researchgate

Na szczęście na ratunek może przyjść nowa technologia, umożliwiająca znacznie dokładniejszą symulację całego ciała w warunkach laboratoryjnych.

Organy na chipie

„Ciało na chipie”, zwane także „człowiekiem na chipie” lub systemami mikrofizjologicznymi, mają na celu replikację całości lub części ciała za pomocą kultur komórkowych.

W tym celu łączy ze sobą wiele miniaturowych narządów in vitro („organ na chipie”).

Źródło: Harvard 

Organy na chipie to technologia wykorzystująca mikroprzepływy do dostarczania składników odżywczych do hodowli komórkowej, tworząc realistyczną symulację dyfuzji składników odżywczych i leków do prawdziwego narządu.

Może to na przykład stworzyć model „drog oddechowych na chipie” symulujący działanie ludzkich dróg oddechowych, a także modele ludzkie jelita, nerkas lub szpik kostny.

Od organów na chipie do ciała na chipie

Łącząc wiele systemów typu „narząd na chipie”, można rozpocząć tworzenie części całego ciała i właściwie rozważyć proces biologiczny, jaki lek będzie zachodził u prawdziwego pacjenta.

Może to oznaczać tak różnorodne mechanizmy biologiczne, jak odpowiedź immunologiczna, wchłanianie leków w jelitach, płucach lub naczyniach krwionośnych, skurcze mięśni, metabolizm wątroby itp.

Źródło: Harvard

Jest to niezwykle istotne, ponieważ większość skutków działania leków (pozytywnych i negatywnych) można zrozumieć tylko wtedy, gdy weźmie się pod uwagę reakcję wielu różnych narządów na dany lek.

Projekty typu body-on-chip

Nie wszystkie układy typu body-on-chip są wykonane w ten sam sposób i istnieje wiele różnych konstrukcji organów na chipach używanych do budowy całego systemu. Każdy z nich ma swoje zalety i jest inaczej używany przez badaczy medycznych.

Jednym ze sposobów ich kategoryzowania jest rodzaj użytych komórek i tkanek. Niektóre organy na chipach wykorzystują tylko jeden typ komórek (monokultura), wsparty albo sztucznymi mikrostrukturami, albo warstwami kolagenu. Inne mają wiele typów komórek połączonych razem w postaci sferoid lub bardziej złożonych struktur 3D.

Źródło: Nature.com

Inna metoda kategoryzacji bada, w jaki sposób płyny są przenoszone do i pomiędzy organami na chipach. Mogą dzielić ten sam płyn otoczenia lub być połączone za pomocą specjalnie zaprojektowanych rurek imitujących układ krwionośny lub limfatyczny. Przepływ cieczy może być ciągły lub kontrolowany przez automatyczne przenoszenie płynów.

Można je również oddzielić od krążącego płynu składników odżywczych i leków porowatą membraną lub warstwą komórek (śródbłonek).

Źródło: Nature.com

Jak możesz sobie wyobrazić, ta różnorodność wzorów stwarza niemal nieograniczone możliwości kombinacji. Tak więc, choć badacze są już bardzo przydatni, dopiero rozpoczynają projektowanie organów na chipach i korpusów na chipach i wciąż eksperymentują, aby znaleźć optymalną równowagę między doskonałymi replikami, niezawodnością i kosztami produkcji.

Rynek organów na chipach

Organ-on-chip to nowa technologia, która dopiero teraz osiąga wystarczającą dojrzałość, aby opuścić laboratorium badawcze i wejść w proces opracowywania leków. W 2023 r. był to rynek wart 103 mln dolarów.

Szacunki wprowadzone rynek narządów na chipie wyniesie 303 mln dolarów do 2026 r., przy szybkim wzroście w wyniku zastąpienia testów na zwierzętach, co szacuje się na 2027 r. na 529 mln dolarów. Inne prognozy to widzą wzrośnie do 1.4 miliarda dolarów do roku 2032, robiąc ponad 10 razy w ciągu 8 lat.

Body-on-chip to rozwiązanie jeszcze nowsze, które w znacznym stopniu skorzysta na innowacjach technologicznych w celu poprawy jego wydajności i niezawodności oraz obniżenia kosztów.

Aplikacje typu body-on-chip

Farmakokinetyka

Kluczową cechą leków, która ma istotny wpływ na ich skuteczność i potencjalną toksyczność, jest „farmakokinetyka”. Mówiąc prościej, jest to szybkość, z jaką lek będzie się rozprzestrzeniał w organizmie i tkankach każdego narządu z osobna.

Trudno to przewidzieć na modelach papierowych lub komputerowych, ponieważ zależy to od reakcji jelit, krwi i narządów na określoną substancję chemiczną.

W tym celu konieczne jest zastosowanie możliwie najbardziej kompletnych technologii body-on-chip, przy czym punkt wejścia leku do organizmu zmienia się, zależnie od tego, czy jest on podawany doustnie (do żołądka i jelit), w aerozolu (do płuc) czy dożylnie (do krwiobiegu).

Źródło: Nature.com

Medycyna spersonalizowana

Kolejną wielką obietnicą związaną z technologią „body-on-chip” jest potencjał medycyny spersonalizowanej. Coraz częściej badacze i start-upy biotechnologiczne starają się opracowywać leki nie tylko dla „ludzi” jako całości, ale dostosowane do podkategorii (płeć, pochodzenie, wiek, profil genetyczny itp.) aż do indywidualnego pacjenta.

Dzięki dużej powtarzalności, brakowi zagrożeń dla zdrowia i niższym kosztom mogą z powodzeniem zastąpić wiele badań klinicznych w zakresie dopracowywania leku na wczesnych etapach rozwoju.

Mogą na przykład pomóc w identyfikacji alternatywnych kandydatów na leki, gdy pojawią się kwestie bezpieczeństwa, zwłaszcza jeśli problem dotyczy tylko określonej subpopulacji.

Źródło: Nature.com

Początkowo metody typu body-on-chip będą musiały głównie wykazać swoją wyższość nad istniejącymi badaniami in vitro i na zwierzętach.

Ostatecznym celem będzie jednak dokładne odtworzenie badań klinicznych in vivo na pacjentach.

W jeszcze odleglejszej przyszłości możemy sobie wyobrazić, że dzięki wykorzystaniu chipów zawierających własne komórki pacjenta będzie można z wyprzedzeniem przewidywać reakcję na różne leki i określać najlepszą metodę terapeutyczną.

Druk 3D pomoże w tworzeniu chipów typu body-on-chips

Prawdziwe narządy to złożone struktury 3D ze skomplikowaną mieszanką różnych komórek i tkanek.

Aby narząd na chipie tworzący cały korpus na chipie realistycznie symulował rzeczywistość, w procesie produkcyjnym konieczne jest stworzenie niemal dokładnej repliki prawdziwych tkanek narządów. A w przyszłości może nawet w pełni rozwinięte narządy.

Będzie to możliwe jedynie dzięki powstającej technologii zwanej biodrukiem.

Wykorzystuje kluczową zasadę druku 3D: dysza jest sterowana przez komputer i krok po kroku umieszcza żądany materiał we właściwym miejscu. Ale zamiast odkładać plastik lub metal, osadza żywe komórki.

Biodruk ewoluował równolegle do technologii narządów i ciała na chipie, początkowo skupiając się bardziej na rozwiązywaniu trudności technologicznych związanych z „drukowaniem” za pomocą komórek.

Obecnie przemysł w dalszym ciągu opiera się głównie na sztucznych rusztowaniach, które nadają strukturę drukowanym komórkom. Poczyniono jednak postępy w tworzeniu drukowanych w 3D organów, które bardziej przypominają organy organiczne.

Jeśli zatem obecne systemy „organ-on-chip” odtwarzają jedynie szablon wielowarstwowej struktury tkanek danego organu, to połączenie ich z zaawansowanymi metodami biodruku pozwoliłoby na stworzenie jeszcze bardziej realistycznych symulacji.

Jeśli chcesz przeczytać więcej, szczegółowo omówiliśmy biodruk w naszych artykułach „Organy na żądanie: najlepsze akcje biodruku 3D"I"Nowa technika umożliwia drukowanie 3D funkcjonalnej tkanki mózgowej".

Firmy zajmujące się biodrukiem i urządzeniami typu body-on-chip

1. Grupa BICO AB (BICO.ST)

W 2021 roku w związku z przejęciem spółki Celllink zmieniono nazwę na Grupę BICO Cytena narzędzia do automatyzacji laboratorium w 2019 r. i nauka wysoce precyzyjne narzędzia do pomiaru mikrokropli w 2020 roku.

Cellink jest nadal marką części firmy zajmującej się biodrukiem.

Chociaż nie jest sam w tej dziedzinie, Cellink jest niewątpliwie bardzo zaawansowanym producentem sprzętu do biodruku, skupiającym się na zaopatrywaniu badaczy w dziedzinie biotechnologii i biomedycyny.

W dłuższej perspektywie firmy zajmujące się biodrukiem prawdopodobnie przejdą ewolucję od dostarczania narzędzi badaczom do dostawców terapii biodrukiem dla pacjentów, oferowanych przez firmy farmaceutyczne. To z kolei całkowicie zmieni liczbę używanych biodrukarek, a co ważniejsze, wolumen sprzedawanych co miesiąc materiałów eksploatacyjnych.

Jest to ten sam proces, który miał miejsce w przypadku innych producentów sprzętu do biolabów, w tym maszyn do sekwencjonowania genomu PacBio (PACB) i Illumina (ILMN), które ostatecznie osiągnęły 80% swoich przychodów ze sprzedaży cyklicznej materiałów eksploatacyjnych.

2. Organowo

Opatentowana technologia firmy Organovo polega na wykorzystaniu drukowanych w technologii 3D tkanek ludzkich w celu imitacji kluczowych aspektów prawdziwych tkanek ludzkich, w tym ich składu, architektury, funkcji i chorób.

Wykorzystano to do znalezienia nowych cząsteczek o potencjale terapeutycznym. Firma ma nadzieję, że najpierw weryfikując potencjalne cząsteczki w trójwymiarowym modelu tkanki, zmniejszy ryzyko niepowodzeń w badaniach klinicznych dzięki bardziej realistycznemu modelowi komórkowemu in vitro przed przeprowadzeniem jakichkolwiek testów na ludziach.

Portfolio firmy Organovo koncentruje się na nieswoistych zapaleniach jelit (IFD) i zwłóknieniu wątroby. Jeden program znajduje się w fazie 2/3 badań klinicznych, a drugi w fazie 1. Wyniki badań POC fazy 2a spodziewane są w drugiej połowie 2 r.

Źródło: Organowo

W 2.1 r. w USA odnotowano 2022 miliona przypadków, a na całym świecie 13 milionów przypadków wrzodziejącego zapalenia jelita grubego, będącego formą IFD, co stanowi rynek o wartości 6.6 miliarda dolarów. Oczekuje się również, że będzie nadal rósł w tempie 6% CAGR do 2032 r., osiągając rynek o wartości 12 miliardów dolarów.

Ponieważ Organovo wykorzystuje realistyczną symulację tkanki jelitowej, ze spolaryzowanym nabłonkiem i warstwą śródmiąższową, prawdopodobnie dysponuje dobrą reprezentacją in vitro działania leku na pacjenta.

Źródło: Organowo

Jest prawdopodobne, że w miarę jak technologia „body-on-chip” stanie się bardziej dojrzałą technologią, podejście Organovo do wykorzystywania tkanek ludzkich wydrukowanych w 3D stanie się jeszcze bardziej prawdopodobne, aby przewidzieć wczesne potencjalne problemy w opracowywaniu leków.

To z kolei powinno pomóc jej przyspieszyć odkrywanie leków i efektywniej wykorzystać kapitał niż konkurenci wciąż polegający na starszych metodach.