Biotecnologia
‘Body-On-Chip’ Soluções Microfluídicas para Aproveitar a Impressão 3D
A Necessidade de Modelos de Laboratório Corporal Mais Precisos
Encontrar e testar novos medicamentos é sempre um processo complexo e caro. Historicamente, dependia totalmente de testes dos novos produtos em animais e humanos.
Mais recentemente, testes in vitro têm sido usados para observar o que um potencial novo fármaco poderia fazer a tipos celulares específicos.
No entanto, a relevância dos estudos in vitro é sempre incerta, pois o corpo inteiro, seja animal ou humano, é muito diferente de uma simples cultura de células. Um composto anticâncer pode ser absorvido pelo intestino, transformado em uma nova molécula pelo fígado e ter efeitos inesperados no cérebro. Nenhum desses processos será corretamente identificado apenas com uma cultura de células cancerígenas.
Isso está longe de ser apenas uma questão acadêmica, já que muitos medicamentos potenciais falham na fase I dos ensaios clínicos, revelando problemas de segurança que os estudos em animais e in vitro não identificaram a tempo.
Isso, por sua vez, custa muito dinheiro e aumenta o custo de futuros medicamentos que salvam vidas.
Fonte: Research Gate
Afortunadamente, uma nova tecnologia pode estar chegando para salvar o dia, oferecendo uma simulação muito mais precisa de um corpo inteiro em ambientes de laboratório.
Organ-On-A-Chip
“Body-on-a-chip”, também chamado de “human-on-a-chip” ou sistemas micro fisiológicos, busca replicar totalmente ou parcialmente um corpo com culturas celulares.
Para isso, conecta múltiplos órgãos in vitro em miniatura (“organ-on-a-chip”).
Fonte: Harvard
Organ-on-a-chip é uma tecnologia que usa microfluídica para fornecer nutrientes à cultura celular, criando uma simulação realista da difusão de nutrientes e medicamentos em um órgão real.
Por exemplo, isso pode criar um modelo de “airway-on-a-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
Do Organ-On-A-Chip ao Body-On-A-Chip
Ao combinar múltiplos sistemas organ-on-a-chip, você pode começar a criar partes de um corpo completo e considerar adequadamente o processo biológico que um medicamento teria em um paciente real.
Isso pode envolver mecanismos biológicos tão diversos como resposta imune, absorção de fármacos no intestino, pulmões ou vasos sanguíneos, contração muscular, metabolismo hepático, etc.
Fonte: Harvard
Mais uma vez, isso é crucial, pois a maioria dos efeitos de medicamentos (positivos e negativos) só pode ser compreendida se levarmos em conta as reações de diversos órgãos.
Designs de Body-On-Chip
Nem todos os body-on-chips são feitos da mesma forma, e existem muitos designs diferentes para o organ-on-chip usado para construir o sistema completo. Cada um tem suas próprias vantagens e é usado de maneira distinta pelos pesquisadores médicos.
Uma forma de categorizá-los é pelo tipo de célula e tecidos usados. Alguns organ-on-chips utilizam apenas um tipo de célula (monocultura), suportados por microestruturas artificiais ou camadas de colágeno. Outros têm múltiplos tipos de células montados 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 organ-on-chips. Eles podem compartilhar o mesmo fluido ambiente, ou ser ligados por tubos de design personalizado que replicam o sistema sanguíneo ou linfático. O fluxo de líquido pode ser contínuo ou controlado por transferências robóticas de fluido.
Eles também podem ser separados do fluido circulante de nutrientes e medicamentos por uma membrana porosa ou uma camada de células (endomélio).
Fonte: Nature.com
Como pode imaginar, essa diversidade de designs cria combinações quase infinitas. Portanto, embora já sejam muito úteis, os pesquisadores ainda estão no início do design de organ-on-chips e body-on-chips e continuam experimentando para encontrar o equilíbrio ideal entre réplicas perfeitas, confiabilidade e custos de produção.
Mercado de Organ-On-Chip
Organ-on-chip é uma tecnologia nova que só agora está atingindo maturidade suficiente para sair do laboratório de pesquisa e entrar no processo de desenvolvimento de medicamentos. Em 2023, era um mercado de US$ 103 milhões.
Estimativas apontam o mercado de organ-on-chip em US$ 303 milhões até 2026, com rápido crescimento ao substituir testes em animais, estimando US$ 529 milhões para 2027. Outras previsões veem um crescimento para US$ 1,4 bilhão até 2032, mais de 10 vezes em 8 anos.
Body-on-chip é ainda mais recente e se beneficiará enormemente da inovação tecnológica para melhorar seu desempenho e confiabilidade e reduzir custos.
Aplicações de Body-On-Chip
Farmacocinética
Uma característica chave dos medicamentos que impacta profundamente sua eficácia e toxicidade potencial é a “farmacocinética”. Em termos mais simples, é a velocidade com que o fármaco se difunde no corpo e nos tecidos de cada órgão individualmente.
Isso é difícil de prever em papel ou modelos computacionais, pois depende de como o intestino, a corrente sanguínea e os órgãos reagirão a um químico específico.
Para isso, são necessários body-on-chips o mais completos possível, com o ponto de entrada do fármaco variando conforme seja administrado oralmente (estômago e intestinos), em aerossóis (pulmões) ou por via intravenosa (corrente sanguínea).
Fonte: Nature.com
Medicina Personalizada
Outra grande promessa do body-on-chip é o potencial para medicina personalizada. Cada vez mais, pesquisadores e startups de biotecnologia buscam desenvolver medicamentos não apenas para “humanos” como um todo, mas adaptados a subcategorias (sexo, ancestralidade, idade, perfil genético, etc.) até o paciente individual.
Graças à sua alta replicabilidade, ausência de riscos à saúde e menor custo, eles podem substituir de forma vantajosa muitos ensaios clínicos na afinação de um medicamento nas fases iniciais de desenvolvimento.
Por exemplo, podem ajudar na identificação de candidatos a medicamentos alternativos quando surgem questões de segurança, especialmente se o problema afetar apenas uma subpopulação específica.
Fonte: Nature.com
Inicialmente, os body-on-chips precisarão principalmente demonstrar sua superioridade em relação aos estudos in vitro e em animais existentes.
No entanto, o objetivo final será a replicação precisa dos ensaios clínicos in vivo em pacientes.
Em um futuro ainda mais distante, poderíamos imaginar que body-on-chips contendo as próprias células do paciente poderiam ser usados para prever antecipadamente a reação a vários medicamentos e determinar o melhor método terapêutico.
Impressão 3D para Ajudar a Fabricar Body-On-Chips
Órgãos reais são estruturas 3D complexas com uma mistura intrincada de diferentes células e tecidos.
Para que o organ-on-chip que compõe o body-on-chip completo simule realisticamente a realidade, é necessário que o processo de fabricação crie uma réplica quase exata dos tecidos reais dos órgãos. Ou, no futuro, talvez até órgãos totalmente desenvolvidos.
Isso só será possível graças a uma tecnologia emergente chamada bioprinting.
Ela reutiliza o princípio chave da impressão 3D: um bico controlado por computador deposita o material desejado no local correto, bit a bit. Mas ao invés de depositar plástico ou metal, deposita células vivas.
O bioprinting evoluiu em paralelo à tecnologia de organ & body-on-chip, inicialmente focado em resolver a dificuldade tecnológica de “imprimir” com células.
Atualmente, a indústria ainda depende principalmente de andaimes artificiais para dar estrutura às células impressas. Contudo, progressos foram feitos na criação de órgãos impressos em 3D que são mais semelhantes aos orgânicos.
Portanto, se o organ-on-chip atual recria principalmente um modelo das múltiplas camadas que formam os tecidos de um órgão, combiná-lo com métodos avançados de bioprinting poderia criar simulações ainda mais realistas.
Se quiser saber mais, exploramos o bioprinting em profundidade em nossos artigos “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks” e “New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue”.
Bioprinting e Empresas de Body-On-Chip
1. BICO Group AB (BICO.ST)
Em 2021, a Cellink foi renomeada como BICO Group, após sua aquisição das ferramentas de automação de laboratório Cytena em 2019 e das ferramentas de medição de microgotas de alta precisão Scienion em 2020.
Cellink ainda é a marca da parte de bioprinting do negócio.
Embora não seja a única no campo, a Cellink é claramente um fabricante de equipamentos de bioprinting muito avançado, com foco em fornecer pesquisadores em biotecnologia e biomedicina.
A longo prazo, as empresas de bioprinting provavelmente evoluirão de fornecedoras de ferramentas para pesquisadores para se tornarem fornecedoras de terapias de bioprinting de empresas farmacêuticas para pacientes. Isso, por sua vez, mudará completamente o número de bioprintadores em uso e, mais importante, o volume de consumíveis vendidos a cada mês.
Este é o mesmo processo que ocorreu com outros fabricantes de equipamentos de biolaboratório, incluindo máquinas de sequenciamento genômico da PacBio (PACB) e da Illumina (ILMN), que acabam gerando 80% de sua receita a partir de vendas recorrentes de consumíveis.
2. Organovo
(ONVO )
A tecnologia proprietária da Organovo usa tecidos humanos impressos em 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 ensaios clínicos, graças a um modelo celular in vitro mais realista antes de qualquer teste em humanos.
O pipeline da Organovo está focado em Doença Inflamatória Intestinal (IFD) e fibrose hepática, com um programa na fase 2/3 do ensaio clínico e outro na fase 1. Os resultados do POC da fase 2a são esperados no segundo semestre de 2025.
Fonte: Organovo
Houve 2,1 milhões de casos nos EUA em 2022 e 13 milhões de casos globalmente de colite ulcerativa, uma forma de IFD, representando um mercado de US$ 6,6 bilhões. Espera‑se que continue crescendo a 6% de CAGR até 2032, atingindo um mercado de US$ 12 bilhões.
Como a Organovo usa uma simulação realista do tecido intestinal, com epitélio polarizado e camada intersticial, é provável que tenham uma boa representação in vitro de como seu medicamento atuará em um paciente.
Fonte: Organovo
É provável que, à medida que o body-on-chip se torne uma tecnologia mais madura, a abordagem da Organovo de usar tecidos humanos impressos em 3D se torne ainda mais eficaz para prever problemas potenciais precocemente no desenvolvimento de medicamentos.
Isso, por sua vez, deve ajudá‑la a acelerar a descoberta de medicamentos e usar seu capital de forma mais eficiente que concorrentes que ainda dependem de métodos antigos.
