‘Corpo-Em-Chip’ Soluções Microfluídicas para Aproveitar a Impressão 3D

A Necessidade de Melhores Modelos de Laboratório de Corpo

Encontrar e testar novos medicamentos é sempre um processo complexo e caro. Historicamente, dependia inteiramente de testar os novos produtos em animais e humanos.

Mais recentemente, testes in vitro têm sido usados para ver o que um novo medicamento potencial pode fazer a tipos de células específicas.

No entanto, a relevância dos estudos in vitro é sempre incerta, pois o corpo inteiro, animal ou humano, é muito diferente de apenas uma cultura de células. Um químico anti-câncer pode ser absorvido pelo intestino, processado em uma nova molécula pelo fígado e ter efeitos inesperados no cérebro. Nenhum desses processos será corretamente identificado com apenas uma cultura de células cancerígenas.

Isso está longe de ser apenas uma questão acadêmica, pois muitos medicamentos potenciais falham na fase I dos testes clínicos, revelando problemas de segurança que os testes em animais e in vitro não identificaram cedo o suficiente.

Isso, por sua vez, custa muito dinheiro e aumenta o custo de medicamentos salvadores de vida no futuro.

Fonte: Research Gate

Felizmente, uma nova tecnologia pode estar vindo em seu resgate, com uma simulação muito mais precisa de um corpo completo em configurações de laboratório.

Órgão-Em-Chip

“Corpo-em-chip”, também chamado de “humano-em-chip” ou sistemas microfisiológicos, visa replicar completamente ou parte de um corpo com culturas de células.

Para fazer isso, conecta vários órgãos in vitro miniaturizados (“órgão-em-chip”).

Fonte: Harvard

Órgão-em-chip é uma tecnologia que usa microfluídica para fornecer nutrientes à cultura de células, criando uma simulação realista da difusão de nutrientes e medicamentos em um órgão real.

Por exemplo, isso pode criar um modelo de “viá-aérea-em-chip” simulando como as vias aéreas humanas funcionam, bem como modelos de intestinos humanos, rins ou medula óssea.

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

De Órgão-Em-Chip para Corpo-Em-Chip

Combinando vários sistemas de órgão-em-chip, você pode começar a criar partes de um corpo completo e considerar adequadamente o processo biológico que um medicamento realizará em um paciente real.

Isso pode implicar mecanismos biológicos tão diversos quanto resposta imunológica, absorção de medicamentos no intestino, pulmões ou vasos sanguíneos, contração muscular, metabolismo hepático, etc.

Fonte: Harvard

Mais uma vez, isso é crucial, pois a maioria dos efeitos dos medicamentos (positivos e negativos) só pode ser entendida se considerando as reações de muitos órgãos diferentes a ele.

Projetos de Corpo-Em-Chip

Não todos os corpos-em-chip são feitos da mesma maneira, e muitos designs diferentes existem para o órgão-em-chip usado para construir o sistema completo. Cada um tem suas próprias vantagens e é usado de maneira diferente por pesquisadores médicos.

Uma maneira de categorizá-los é pelo tipo de célula e tecidos usados. Alguns órgãos-em-chip usam apenas um tipo de célula (monocultura), suportado por microestruturas artificiais ou camadas de colágeno. Outros têm vários tipos de células reunidos juntos, seja em esferoides ou em estruturas 3D mais complexas.

Fonte: Nature.com

Outro método de categorização examina como os fluidos são transferidos para dentro e entre os órgãos-em-chip. Eles podem compartilhar o mesmo fluido ambiente, ou serem ligados por meio de um design personalizado de tubos que replicam o sistema sanguíneo ou linfático. O fluxo de líquido pode ser contínuo ou controlado por transferências de fluido robóticas.

Eles também podem ser separados do fluido circulante de nutrientes e medicamentos por uma membrana porosa ou uma camada de células (endotélio).

Fonte: Nature.com

Como você pode imaginar, essa diversidade de designs cria quase combinações infinitas. Então, enquanto já muito úteis, os pesquisadores estão apenas no início de projetar órgãos-em-chip e corpos-em-chip e ainda estão experimentando para encontrar o equilíbrio perfeito entre réplicas perfeitas, confiabilidade e custos de produção.

Mercado de Órgão-Em-Chip

Órgão-em-chip é uma tecnologia nova que está apenas agora alcançando maturidade suficiente para sair do laboratório de pesquisa e entrar no processo de desenvolvimento de medicamentos. Em 2023, foi um mercado de $103M.

Estimativas colocam o mercado de órgão-em-chip em $303M até 2026, com um crescimento rápido substituindo testes em animais, colocando uma estimativa para 2027 em $529M. Outras previsões veem ele crescendo para $1,4B até 2032, fazendo mais de 10x em 8 anos.

Corpo-em-chip é ainda mais recente e se beneficiará muito da inovação tecnológica para melhorar seu desempenho e confiabilidade e reduzir custos.

Aplicações de Corpo-Em-Chip

Farmacocinética

Uma característica-chave dos medicamentos que afeta profundamente sua eficácia e potencial toxicidade é a “farmacocinética”. Em termos mais simples, é como o medicamento se difunde no corpo e nos tecidos de cada órgão individualmente.

Isso é difícil de prever no papel ou em modelos de computador, pois depende de como os intestinos, o sangue e os órgãos reagirão a um químico específico.

Para isso, corpos-em-chip o mais completos possível são necessários, com o ponto de entrada do medicamento variando se for administrado por via oral (estômago e intestinos), em aerossóis (pulmões) ou por via intravenosa (sangue).

Fonte: Nature.com

Medicina Personalizada

Outra grande promessa do corpo-em-chip é o potencial para medicina personalizada. Cada vez mais, pesquisadores e startups de biotecnologia estão procurando desenvolver medicamentos não apenas para “humanos” como um todo, mas adaptados a sub-categorias (sexo, ancestralidade, idade, perfil genético, etc.) até o paciente individual.

Graças à sua alta replicabilidade, ausência de riscos para a saúde e menor custo, eles podem substituir vantajosamente muitos testes clínicos no ajuste fino de um medicamento nas fases iniciais de desenvolvimento.

Por exemplo, eles poderiam ajudar na identificação de candidatos a medicamentos alternativos quando surgem problemas de segurança, especialmente se o problema afeta apenas uma sub-população específica.

Fonte: Nature.com

Inicialmente, corpos-em-chip terão que demonstrar sua superioridade em relação aos estudos in vitro e em animais existentes.

No entanto, o objetivo final será a replicação precisa de testes clínicos de pacientes in vivo.

Em um futuro ainda mais distante, podemos imaginar que corpos-em-chip contendo as células do próprio paciente poderiam ser usados para prever antecipadamente a reação a vários medicamentos e determinar o melhor método terapêutico.

Impressão 3D para Ajudar a Fazer Corpos-Em-Chip

Órgãos reais são estruturas 3D complexas com uma mistura intricada de diferentes células e tecidos.

Para que o órgão-em-chip que compõe o corpo-em-chip simule realisticamente o órgão real, há uma necessidade de o processo de fabricação criar uma réplica quase exata de tecidos de órgãos reais. Ou, no futuro, talvez até órgãos completamente crescidos.

Isso só será possível graças a uma tecnologia emergente chamada bioprinting.

Ela reutiliza o princípio fundamental da impressão 3D: uma cabeça de impressão é controlada por um computador e deposita o material desejado no local correto, bit a bit. Mas em vez de depositar plástico ou metal, deposita células vivas.

Bioprinting evoluiu em paralelo com a tecnologia de órgão e corpo-em-chip, com inicialmente mais foco em resolver a dificuldade tecnológica de “imprimir” com células.

Atualmente, a indústria ainda depende principalmente de estruturas artificiais para dar estrutura às células impressas. No entanto, houve progressos na criação de órgãos impressos 3D que são mais semelhantes aos orgânicos.

Então, se o órgão-em-chip atual principalmente recria um modelo das multi-camadas que formam os tecidos de um órgão, combiná-lo com métodos de bioprinting avançados poderia criar simulações ainda mais realistas.

Se você quiser ler para saber mais, exploramos em profundidade a bioprinting em nossos artigos “Órgãos Sob Demanda: Melhores Ações de Bioprinting 3D” e “Técnica Nova Permite Impressão 3D de Tecido Cerebral Funcional”.

Empresas de Bioprinting e Corpo-Em-Chip

1. BICO Group AB(BICO.ST)

Em 2021, Cellink foi renomeado como BICO Group, após sua aquisição de Cytena ferramentas de automação de laboratório em 2019 e Scienion ferramentas de medição de gotas de micro-medição em 2020.

Cellink ainda é a marca para a parte de bioprinting do negócio.

Embora não esteja sozinho no campo, Cellink é claramente um fabricante de equipamentos de bioprinting muito avançado, com foco em fornecer pesquisadores em biotecnologia e biomedicina.

No longo prazo, as empresas de bioprinting provavelmente evoluirão de fornecer ferramentas para pesquisadores para se tornarem fornecedores de terapias de bioprinting para pacientes de empresas farmacêuticas. Isso, por sua vez, mudará completamente o número de bioprinters em uso e, mais importante, o volume de consumíveis vendidos todos os meses.

Isso é o mesmo processo que ocorreu para outros fabricantes de equipamentos de laboratório biológico, incluindo máquinas de sequenciamento de genoma da PacBio (PACB) e Illumina (ILMN), que acabaram fazendo 80% de suas receitas com vendas recorrentes de consumíveis.

2. Organovo

A tecnologia proprietária da Organovo usa tecidos humanos impressos 3D para imitar aspectos-chave de tecidos humanos reais, incluindo composição, arquitetura, função e doença.

Isso foi usado para encontrar novas moléculas com potencial terapêutico. Ao validar primeiro as moléculas potenciais no modelo de tecido 3D, a empresa espera reduzir o risco de falhas nos testes clínicos, devido a um modelo celular in vitro mais realista antes de qualquer teste ser feito em humanos.

O pipeline da Organovo está focado em Doença Inflamatória Intestinal (DII) e fibrose hepática, com um programa na fase 2/3 do teste clínico e um na fase 1. Os resultados da Fase 2a POC são esperados em 2H 2025.

Fonte: Organovo

Havia 2,1 milhões de casos nos EUA em 2022 e 13 milhões de casos globalmente de colite ulcerativa, uma forma de DII, representando um mercado de $6,6B. Ele também é esperado para continuar crescendo a uma taxa de 6% ao ano até 2032, para um mercado de $12B.

Como a Organovo usa uma simulação realista do tecido intestinal, com epitélio polarizado e camada intersticial, é provável que eles tenham uma boa representação in vitro de como seu medicamento agirá para um paciente.

Fonte: Organovo

É provável que, à medida que o corpo-em-chip se torne uma tecnologia mais madura, a abordagem da Organovo de usar tecidos humanos impressos 3D se torne mais provável para prever problemas potenciais no início do desenvolvimento de medicamentos.

Isso, por sua vez, deve ajudar a acelerar a descoberta de medicamentos e usar seu capital de forma mais eficiente do que os concorrentes que ainda dependem de métodos mais antigos.