Trasportare un nuovo farmaco da un'idea nel laboratorio di chimica al mercato richiede molti anni e miliardi di dollari. Ogni anno negli Stati Uniti vengono approvate solo una dozzina di nuovi farmaci.
Gli "organi su chip" umani stanno conducendo una rivoluzione nei test sulla sicurezza dei farmaci. Questi dispositivi utilizzano cellule umane per modellare la struttura e la funzione di organi e tessuti umani. Testando i potenziali effetti dei farmaci su organi diversi più velocemente dei metodi tradizionali, gli organi su chip possono ridurre la necessità di studi sugli animali e prevedere meglio quali nuovi farmaci tratteranno efficacemente le malattie umane.
Come parte di un gruppo di ricerca interdisciplinare, stiamo lavorando a un chip su un chip per migliorare la nostra comprensione di come iniziano le malattie renali e quali farmaci possono trattarle in modo sicuro.
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Storicamente, i test di laboratorio per nuovi farmaci vengono eseguiti in cellule coltivate in piatti o boccette. Se un farmaco supera i test di screening iniziali in vitro, i ricercatori lo testano successivamente in vivo su animali vivi per determinare gli effetti di un nuovo farmaco su un intero sistema anziché su un solo tipo di cellula alla volta. Alla fine, dopo molti anni di ricerche di laboratorio, i ricercatori testeranno un nuovo promettente farmaco nelle persone per vedere se è sicuro ed efficace.
Il problema è che 9 di questi 10 farmaci non riescono mai a passare dai test umani su piccola scala al paziente perché risultano inefficaci o tossici, anche se hanno mostrato risultati promettenti nei primi test.
Gli organi su chip hanno il potenziale per trasformare completamente quel sistema. Che vanno dalle dimensioni di un'unghia a quella di una carta di credito, sono composte da canali fluidi e piccole camere che contengono campioni di cellule umane. Gli organi su chip in via di sviluppo nei laboratori di tutto il paese includono reni, polmoni, fegato, intestino, pelle, cervello, cuore, ossa e sistemi riproduttivi.
In un organo su un chip, il liquido che scorre fornisce alle cellule ossigeno e sostanze nutritive, in modo simile al modo in cui il sangue sostiene le cellule del corpo umano. È questo flusso costante che rende speciali questi dispositivi. Le cellule cresciute in dispositivi organo-su-chip agiscono più come le cellule di un organo umano che le cellule cresciute in piatti piatti senza flusso.
Il fluido circola attraverso un rene su un chip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
I reni sono incredibilmente importanti per la salute umana generale. I due reni delle dimensioni di un pugno rimuovono dal corpo farmaci e composti indesiderati e svolgono un ruolo fondamentale nel mantenimento di un corretto equilibrio di sale e acqua, pressione sanguigna e vitamina D e salute delle ossa. Le condizioni genetiche e persino i farmaci comunemente somministrati possono, in alcune circostanze, danneggiare i reni.
Negli Stati Uniti, il 15% degli adulti ha malattie renali. Ma la maggior parte non lo sa nemmeno, perché le malattie renali spesso non mostrano sintomi fino a quando la condizione non è molto avanzata. C'è un urgente bisogno di capire come inizia la malattia renale e di sviluppare nuovi trattamenti sicuri ed efficaci.
Qui all'Università di Washington, il nostro team di ricerca sui reni è composto da scienziati di diverse discipline, tra cui farmacia, scienze farmaceutiche, nefrologia (medicina renale), tossicologia, biochimica e bioingegneria.
In collaborazione con Nortis, Inc., un'azienda locale di biotecnologia, il nostro team ha creato un piccolo dispositivo - le dimensioni di un biglietto da visita - con un massimo di tre minuscoli tubi, ogni millesimi delle dimensioni di una goccia d'acqua, contenente 5.000 persone cellule renali. Quando piccole quantità di liquido vengono pompate attraverso i tubi, le cellule renali sono esposte a segnali importanti che aiutano le cellule del chip a comportarsi come se fossero in un rene vivo.
Abbiamo scoperto che le cellule renali rilasciano segnali - chiamati biomarcatori - di lesioni se esposte a tossine renali conosciute. La nostra ricerca ha dimostrato che le cellule del chip rilasciavano marcatori di lesioni comunemente osservati nelle urine di persone con danno renale. I test con il metodo precedente, utilizzando cellule su piastre, non hanno mostrato alcun danno con lo stesso trattamento. Ciò suggerisce che il rene su un chip potrebbe essere migliore rispetto ai metodi esistenti per prevedere se un nuovo farmaco causerà danni ai reni negli esseri umani.
Questi dispositivi svolgono un lavoro migliore nel testare come le molecole influenzano le cellule umane viventi. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Ora che abbiamo avuto questi risultati promettenti, i team scientifici di tutto il paese stanno iniziando a connettere diversi organi per replicare un sistema più complesso e multiorgano, per fornire maggiori informazioni su come i farmaci influenzano le persone. Ad esempio, siamo stati in grado di collegare un fegato su un chip a un rene su un chip per imparare come un estratto di pianta usato in alcuni medicinali a base di erbe, chiamato acido aristolochico, danneggia le cellule renali. Questa indagine chip-to-chip rafforza la necessità di organi interconnessi su un chip per replicare la complessa meccanica del corpo umano.
Il prossimo anno, il nostro progetto rene su chip sarà uno dei tanti inviati alla Stazione Spaziale Internazionale dove la bassa gravità accelera i cambiamenti nelle cellule, causando a volte problemi di salute per gli astronauti. La Stazione spaziale potrebbe essere il luogo perfetto per scoprire di più sulle malattie renali in settimane, piuttosto che in anni o decenni.
Gli organi su chip possono anche essere utilizzati per scoprire nuovi bersagli farmacologici. Il nostro team sta valutando il rene su chip come strumento per personalizzare la selezione e il dosaggio dei farmaci nelle persone con carcinoma renale, malattia renale policistica e malattia renale cronica. Altri laboratori di organi su chip in tutto il paese stanno studiando malattie del sistema immunitario, cervello, polmoni, cuore e vasi sanguigni. Lavorando insieme, decine di gruppi di ricerca stanno sviluppando questa nuova tecnologia per rivoluzionare la scoperta di farmaci, portando allo sviluppo di farmaci migliori e più sicuri per tutti.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Catherine Yeung, Research Assistant Professor of Pharmacy, University of Washington
Edward Kelly, Professore associato di Farmaceutica, Università di Washington
Jonathan Himmelfarb, direttore del Kidney Research Institute e professore di medicina, Università di Washington
