Met dezelfde expertise die ze hebben gebruikt om nieuwe organen voor patiënten te bouwen, wetenschappers van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en collega's hebben microharten ontworpen, longen en levers die mogelijk kunnen worden gebruikt om nieuwe medicijnen te testen. Door de micro-organen te combineren in een gecontroleerd systeem, de onderzoekers willen nabootsen hoe het menselijk lichaam reageert op medicijnen.

Het doel van de inspanning, bekend als een "body-on-a-chip, " is het helpen verminderen van het geschatte prijskaartje van $ 2 miljard en het mislukkingspercentage van 90 procent waarmee farmaceutische bedrijven worden geconfronteerd bij het ontwikkelen van nieuwe medicijnen. Geneesmiddelverbindingen worden momenteel gescreend in het laboratorium met behulp van menselijke cellen en vervolgens getest op dieren. Maar geen van deze methoden repliceert adequaat hoe medicijnen tasten menselijke organen aan.

"Er is dringend behoefte aan verbeterde systemen om de effecten van medicijnen nauwkeurig te voorspellen, chemische en biologische agentia op het menselijk lichaam, " zei Anthony Atala, MD, directeur van het instituut en senior onderzoeker van het multi-institutionele body on a chip-project, gefinancierd door het Defense Threat Reduction Agency.

In Wetenschappelijke rapporten , gepubliceerd door Natuur , het onderzoeksteam meldt succes engineering micro-sized 3D-organen, bekend als organoïden, en ze met elkaar te verbinden op een enkel platform om hun functie te bewaken. Terwijl andere teams cellen van meerdere organen in een soortgelijk systeem hebben gecombineerd, dit is het eerste gerapporteerde succes met behulp van 3D-orgelstructuren, waarvan bekend is dat ze beter functioneren en het menselijk lichaam nauwkeuriger modelleren.

De orgaanstructuren zijn gemaakt van celtypen die worden gevonden in inheems menselijk weefsel met behulp van 3D-printen en andere methoden. Hart en levers werden geselecteerd voor het systeem omdat toxiciteit voor deze organen een belangrijke reden is voor het falen van kandidaat-geneesmiddelen en het terugroepen van geneesmiddelen. De longen zijn de toegangspoort voor giftige deeltjes en ook voor aërosolmedicijnen, zoals astma-inhalatoren.

De organoïden worden in een verzegelde, bewaakt systeem - compleet met real-time camera. Een met voedingsstoffen gevulde vloeistof die door het systeem circuleert, houdt de organoïden in leven en wordt gebruikt om mogelijke medicamenteuze therapieën in het systeem te introduceren.

De onderzoekers testten eerst de organoïden om hun gelijkenis met menselijke organen te verzekeren. Bijvoorbeeld, de microlever kreeg een hoge dosis van een veel voorkomende pijnstiller - en vervolgens een ander medicijn om de toxische effecten tegen te gaan.

"De gegevens laten een significante toxische reactie op het medicijn zien, evenals een vermindering door de behandeling, nauwkeurig de reacties weergeven die bij menselijke patiënten worden waargenomen, " zei Aleks Skardal, doctoraat, assistent-professor aan het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, die het multi-onderzoekersteam vertegenwoordigde als de hoofdauteur van het artikel.

Maar belangrijker dan hoe een individueel orgaan op medicijnen reageert, is hoe het lichaam als geheel reageert. In veel gevallen hebben geneesmiddelen tijdens het testen van nieuwe kandidaat-geneesmiddelen - en soms zelfs nadat de geneesmiddelen zijn goedgekeurd voor gebruik - onverwachte toxische effecten in weefsels die niet direct door de geneesmiddelen zelf worden aangevallen.

"Als je een medicijn alleen in levers screent, bijvoorbeeld, je zult nooit een mogelijke bijwerking van andere organen zien, " zei Skardal. "Door gebruik te maken van een orgaan-op-een-chipsysteem met meerdere weefsels, hopelijk kunt u toxische bijwerkingen vroeg in het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen identificeren, die zowel levens als miljoenen dollars zou kunnen redden."

De wetenschappers voerden meerdere scenario's uit om ervoor te zorgen dat het body-on-a-chip-systeem een ​​respons van meerdere organen nabootst. Bijvoorbeeld, ze introduceerden een medicijn dat wordt gebruikt om kanker te behandelen in het systeem. Bekend om het veroorzaken van littekens in de longen, het medicijn had ook onverwacht invloed op het hart van het systeem. Echter, een controle-experiment waarbij alleen het hart werd gebruikt, vertoonde geen reactie.

De wetenschappers theoretiseren dat het medicijn ervoor zorgde dat inflammatoire eiwitten uit de long door het systeem circuleerden. Als resultaat, het hart ging sneller kloppen en stopte later helemaal, wijst op een toxische bijwerking.

"Dit was totaal onverwacht, maar het is het soort bijwerking dat kan worden ontdekt met dit systeem in de pijplijn voor medicijnontwikkeling, ' zei Skardal.

Wetenschappers werken aan het verhogen van de snelheid van het systeem voor grootschalige screening, en ook om extra organen toe te voegen.

"Uiteindelijk verwachten we het nut aan te tonen van een body-on-a-chip-systeem dat veel van de belangrijkste functionele organen in het menselijk lichaam bevat, " zei Atala. "Dit systeem heeft het potentieel voor geavanceerde screening van geneesmiddelen en kan ook worden gebruikt in gepersonaliseerde geneeskunde - om de reactie van een individuele patiënt op de behandeling te helpen voorspellen."

Er zijn verschillende octrooiaanvragen ingediend voor de technologie die in het manuscript wordt beschreven.