Mga Solusyon sa Microfluidic na ‘Body-On-Chip’ Upang Gamitin ang 3D Printing

Kailangan ng Mas Mahusay na Modelo ng Body Lab

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.

Kamakailan, ginamit na ang in-vitro testing upang makita kung ano ang maaaring gawin ng isang potensyal na bagong parmasyutiko sa mga tiyak na uri ng selula.

Gayunpaman, ang kahalagahan ng mga pag-aaral na in-vitro ay laging hindi tiyak, dahil ang buong katawan, hayop man o tao, ay napakaiba sa isang simpleng kultura ng selula. Ang isang anti-cancer na kemikal ay maaaring ma-absorb ng tiyan, maproseso sa isang bagong molekula ng atay, at magkaroon ng hindi inaasahang epekto sa utak. Wala sa mga prosesong ito ang matutukoy nang tama gamit lamang ang kultura ng mga selulang kanser.

Ito ay hindi lamang isang akademikong isyu, dahil maraming potensyal na gamot ang nabibigo sa yugto I ng mga klinikal na pagsubok, na nagbubunyag ng mga isyu sa kaligtasan na hindi natukoy ng mga pag-aaral sa hayop at in-vitro nang sapat na maaga.

Ito, naman, ay nagdudulot ng malaking gastusin at nagpapataas ng presyo ng mga susunod na gamot na nagliligtas ng buhay.

Pinagmulan: Research Gate

Sa kabutihang palad, maaaring dumating ang isang bagong teknolohiya na magliligtas, na may mas tumpak na simulasyon ng buong katawan sa mga setting ng laboratoryo.

Organ-On-A-Chip

“Body-on-a-chip,” na tinatawag ding “human-on-a-chip” o micro physiological systems, ay naglalayong tularan nang buo o bahagi ng katawan gamit ang mga kultura ng selula.

Upang magawa ito, pinagsasama nito ang maraming maliliit na in vitro na organo (“organ-on-a-chip”).

Pinagmulan: Harvard 

Organ-on-a-chip ay isang teknolohiya na gumagamit ng microfluidics upang maghatid ng nutrisyon sa kultura ng selula, na lumilikha ng realistiko na simulasyon ng pag-diffuse ng nutrisyon at gamot papunta sa tunay na organo.

Halimbawa, maaari itong lumikha ng modelo ng “airway-on-a-chip” na ginagaya kung paano gumagana ang mga daanan ng hangin ng tao, pati na rin mga modelo ng human intestines, kidneys, o bone marrow.

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

Mula sa Organ-On-A-Chip tungo sa Body-On-A-Chip

Sa pamamagitan ng pagsasama ng maraming organ-on-a-chip na sistema, maaari mong simulan ang paglikha ng mga bahagi ng isang buong katawan at maayos na isaalang-alang ang prosesong biyolohikal na isinasagawa ng gamot sa isang tunay na pasyente.

Ito ay maaaring magsama ng mga mekanismong biyolohikal na kasing-sari-sari ng tugon ng immune system, pagsipsip ng gamot sa bituka, baga, o mga daluyan ng dugo, pag-urong ng kalamnan, metabolismo ng atay, atbp.

Pinagmulan: Harvard

Muli, ito ay napakahalaga, dahil ang karamihan ng mga epekto ng gamot (positibo man o negatibo) ay mauunawaan lamang kung isasaalang-alang ang reaksyon ng maraming iba’t ibang organo dito.

Mga Disenyo ng Body-On-Chip

Hindi lahat ng body-on-chip ay pareho ang pagkakagawa, at maraming iba’t ibang disenyo ang umiiral para sa organ-on-chip na ginagamit upang buuin ang buong sistema. Bawat isa ay may sariling mga kalamangan at ginagamit nang iba-iba ng mga medikal na mananaliksik.

Isang paraan upang ikategorya ang mga ito ay ayon sa uri ng selula at tisyu na ginagamit. Ang ilang organ-on-chip ay gumagamit lamang ng isang uri ng selula (monoculture), na sinusuportahan ng artipisyal na mikrostruktur o mga patong ng kolagen. Ang iba naman ay may maraming uri ng selula na pinagsama, alinman sa mga spheroid o sa mas kumplikadong 3D na estruktura.

Pinagmulan: Nature.com

Ang isa pang paraan ng pagkakategorya ay sinusuri kung paano inililipat ang mga likido papunta at sa pagitan ng mga organ-on-chip. Maaari silang magbahagi ng parehong ambient na likido, o ikonekta sa pamamagitan ng custom-designed na mga tubo na ginagaya ang sistema ng dugo o lymphatic. Ang daloy ng likido ay maaaring tuloy-tuloy o kontrolado ng robotic fluid transfers.

Maaari rin silang paghiwalayin mula sa paikot-ikot na likido ng nutrisyon at gamot sa pamamagitan ng porous membrane o patong ng mga selula (endothelium).

Pinagmulan: Nature.com

Tulad ng iyong maiisip, ang pagkakaiba-iba ng mga disenyo ay lumilikha ng halos walang katapusang posibleng kombinasyon. Kaya habang napaka-kapaki-pakinabang na, ang mga mananaliksik ay nasa simula pa lamang ng pagdidisenyo ng organ-on-chip at body-on-chip at patuloy na nagsusubok upang mahanap ang optimal na balanse sa pagitan ng perpektong replika, pagiging maaasahan, at gastos sa produksyon.

Pamilihan ng Organ-On-Chip

Ang organ-on-chip ay isang bagong teknolohiya na ngayon lamang nakarating sa sapat na pag-unlad upang lumabas mula sa laboratoryo ng pananaliksik at pumasok sa proseso ng pag-develop ng gamot. Noong 2023, ito ay isang pamilihang nagkakahalaga ng $103M.

Ayon sa mga pagtatantiya, aabot sa $303M ang pamilihan ng organ-on-chip pagsapit ng 2026, na may mabilis na paglago mula sa pagpapalit ng pagsubok sa hayop na nagtatakda ng pagtatantiya para sa 2027 na $529M. Ang ibang mga forecast ay nakikita itong lalago sa $1.4B pagsapit ng 2032, na higit sa 10 beses sa loob ng 8 taon.

Ang body-on-chip ay mas bagong teknolohiya pa at lubos na makikinabang mula sa inobasyon sa teknolohiya upang mapabuti ang pagganap at pagiging maaasahan nito at mabawasan ang gastos.

Mga Aplikasyon ng Body-On-Chip

Pharmacokinetics

Isang mahalagang katangian ng mga gamot na malalim na nakaaapekto sa kanilang bisa at posibleng toxicity ay ang “pharmacokinetics”. Sa mas simpleng salita, ito ay kung gaano kabilis ang pag-diffuse ng gamot sa katawan at sa bawat tisyu ng organo nang paisa-isa.

Mahirap itong hulaan sa papel o sa mga modelo ng computer, dahil nakadepende ito sa kung paano magrereact ang bituka, daluyan ng dugo, at mga organo sa isang tiyak na kemikal.

Para dito, kinakailangan ang body-on-chip na kasing-kompleto hangga’t maaari, kung saan ang punto ng pagpasok ng gamot ay nag-iiba depende kung ito ay ibinibigay nang oral (sa tiyan at bituka), sa aerosol (baga), o intravenously (daluyan ng dugo).

Pinagmulan: Nature.com

Personalized Medicine

Isa pang malaking pangako ng body-on-chip ay ang potensyal para sa personalized medicine. Lalong dumarami ang mga mananaliksik at biotech startup na naglalayong bumuo ng mga gamot hindi lamang para sa “tao” bilang kabuuan kundi iniangkop sa mga sub-kategorya (kasarian, lahi, edad, genetic profile, atbp.) hanggang sa indibidwal na pasyente.

Dahil sa kanilang mataas na reproducibility, walang panganib sa kalusugan, at mababang gastos, maaari nilang kapalit ang maraming klinikal na pagsubok sa pag-fine-tune ng gamot sa maagang yugto ng pag-develop.

Halimbawa, maaari silang makatulong sa pagtukoy ng alternatibong kandidato ng gamot kapag lumitaw ang mga isyu sa kaligtasan, lalo na kung ang isyu ay nakakaapekto lamang sa isang tiyak na sub-populasyon.

Pinagmulan: Nature.com

Sa simula, ang mga body-on-chip ay kailangang ipakita ang kanilang kahusayan kumpara sa umiiral na mga in-vitro at hayop na pag-aaral.

Gayunpaman, ang panghuling layunin ay ang tumpak na pag-uulit ng mga klinikal na pagsubok sa mga pasyente in-vivo.

Sa mas malayong hinaharap, maaari nating isipin na ang mga body-on-chip na naglalaman ng sariling selula ng pasyente ay maaaring gamitin upang hulaan nang maaga ang reaksyon sa iba’t ibang gamot at matukoy ang pinakamahusay na therapeutic na pamamaraan.

3D Printing upang Tumulong sa Paggawa ng Body-On-Chip

Ang mga tunay na organo ay kumplikadong 3D na estruktura na may masalimuot na halo ng iba’t ibang selula at tisyu.

Upang ang organ-on-chip na bumubuo sa buong body-on-chip ay makatotohanang magsimula ng tunay na anyo, kinakailangan ng proseso ng paggawa na lumikha ng halos eksaktong replika ng tunay na tisyu ng organo. O, sa hinaharap, marahil kahit buong-gawang organo.

Magiging posible lamang ito salamat sa isang umuusbong na teknolohiya na tinatawag na bioprinting.

Ginagamit muli nito ang pangunahing prinsipyo ng 3d printing: ang nozzle ay kinokontrol ng computer at naglalagay ng nais na materyal sa tamang lugar, paunti-unti. Ngunit sa halip na magdeposito ng plastik o metal, nagdedeposito ito ng mga buhay na selula.

Ang bioprinting ay umunlad kasabay ng teknolohiya ng organ at body-on-chip, na sa simula ay mas nakatuon sa paglutas ng teknolohikal na kahirapan sa “pag-print” gamit ang mga selula.

Sa kasalukuyan, ang industriya ay karamihan ay umaasa pa rin sa artipisyal na scaffolding upang magbigay ng estruktura sa mga naka-print na selula. Gayunpaman, nagkaroon ng pag-unlad sa paglikha ng mga 3D-printed na organo na mas kahawig ng organong organiko.

Kaya, kung ang kasalukuyang organ-on-chip ay pangunahing muling nililikha ang template ng maraming patong na bumubuo sa tisyu ng organo, ang pagsasama nito sa mga advanced na pamamaraan ng bioprinting ay maaaring lumikha ng mas realistiko pang mga simulasyon.

Kung nais mong magbasa pa, sinuri namin nang malalim ang bioprinting sa aming mga artikulo “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks” at “New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue”.

Mga Kumpanya ng Bioprinting at Body-On-Chip

1. BICO Group AB (BICO.ST)

Noong 2021, pinalitan ang pangalan ng Cellink bilang BICO Group, kasunod ng pagkuha nito ng Cytena na mga tool sa lab automation noong 2019 at Scienion na mga high-precision micro-drop measuring tool noong 2020.

Ang Cellink ay nananatiling pangalan ng tatak para sa bahagi ng negosyo na bioprinting.

Bagaman hindi nag-iisa sa larangan, malinaw na ang Cellink ay isang napaka-advanced na tagagawa ng kagamitan sa bioprinting, na nakatuon sa pagbibigay ng mga kagamitan sa mga mananaliksik sa biotech at biomedicine.

Sa pangmatagalan, malamang na ang mga kumpanyang bioprinting ay magbabago mula sa pagbibigay ng mga tool sa mga mananaliksik tungo sa pagiging mga supplier ng mga bioprinting therapy ng mga pharmaceutical company para sa mga pasyente. Ito ay, sa kalaunan, ganap na magbabago sa bilang ng mga bioprinter na ginagamit at, higit sa lahat, sa dami ng mga consumable na nabebenta bawat buwan.

Ito ay kaparehong proseso na nangyari sa iba pang mga tagagawa ng kagamitan sa biolab, kabilang ang mga makina ng genome sequencing mula sa PacBio (PACB) at Illumina (ILMN), na nagtatapos na kumikita ng 80% ng kanilang kita mula sa paulit-ulit na benta ng mga consumable.

2. Organovo

Ang proprietary na teknolohiya ng Organovo ay gumagamit ng 3D-printed na human tissues upang tularan ang mga pangunahing aspeto ng tunay na human tissues, kabilang ang komposisyon, arkitektura, function, at sakit.

Ginamit ito upang makahanap ng mga bagong molekula na may therapeutic potential. Sa pamamagitan ng unang pag-validate ng mga potensyal na molekula sa 3D tissue model, umaasa ang kumpanya na mabawasan ang panganib ng pagkabigo sa mga klinikal na pagsubok, dahil sa mas realistiko na in-vitro cellular model bago isagawa ang anumang pagsubok sa tao.

Ang pipeline ng Organovo ay nakatuon sa Inflammatory Bowel Disease (IFD) at liver fibrosis, na may isang programa sa phase 2/3 ng klinikal na pagsubok at isa sa phase 1. Ang mga resulta ng Phase 2a POC ay inaasahang lalabas sa ikalawang kalahati ng 2025.

Pinagmulan: Organovo

Mayroong 2.1 milyong kaso sa US noong 2022 at 13 milyong kaso sa buong mundo ng ulcerative colitis, isang anyo ng IFD, na kumakatawan sa $6.6B na pamilihan. Inaasahan din na patuloy itong lalago ng 6% CAGR hanggang 2032, na magiging $12B na pamilihan.

Dahil gumagamit ang Organovo ng realistiko na simulasyon ng intestinal tissue, na may polarized epithelium at interstitial layer, malamang na mayroon silang magandang representasyon in-vitro kung paano kikilos ang kanilang gamot para sa isang pasyente.

Pinagmulan: Organovo

Malamang na habang ang body-on-chip ay nagiging mas mature na teknolohiya, ang pamamaraan ng Organovo na gumamit ng 3D-printed na human tissues ay magiging mas kapani-paniwala sa pag-predict ng mga maagang potensyal na problema sa pag-develop ng gamot.

Ito, naman, ay dapat makatulong upang mapabilis ang drug discovery at magamit ang kapital nito nang mas epektibo kaysa sa mga kakompetensya na patuloy na umaasa sa mas lumang pamamaraan.