I modelli Organ-on-a-chip consentono ai ricercatori di condurre studi più vicini alle condizioni della vita reale e possibilmente ungere la pipeline di sviluppo dei farmaci
Portare un nuovo farmaco sul mercato costa miliardi di dollari e può richiedere più di un decennio. Questi elevati investimenti monetari e di tempo sono sia un forte contributo all’aumento vertiginoso dei costi sanitari di oggi sia ostacoli significativi alla fornitura di nuove terapie ai pazienti. Una delle principali ragioni alla base di queste barriere sono i modelli di laboratorio che i ricercatori utilizzano per sviluppare farmaci in primo luogo.
Gli studi preclinici , o studi che testano l’efficacia e la tossicità di un farmaco prima che entri negli studi clinici sulle persone, sono condotti principalmente su colture cellulari e animali. Entrambi sono limitati dalla loro scarsa capacità di imitare le condizioni del corpo umano. Le colture cellulari in una capsula di Petri non sono in grado di replicare ogni aspetto della funzione dei tessuti, come il modo in cui le cellule interagiscono nel corpo o le dinamiche degli organi viventi. E gli animali non sono umani: anche piccole differenze genetiche tra le specie possono essere amplificate in grandi differenze fisiologiche.
Meno dell’8% degli studi sugli animali riusciti per le terapie contro il cancro arriva agli studi clinici sull’uomo. Poiché i modelli animali spesso non riescono a prevedere gli effetti dei farmaci negli studi clinici sull’uomo, questi fallimenti in fase avanzata possono aumentare significativamente sia i costi che i rischi per la salute dei pazienti.
Per affrontare questo problema di traduzione, i ricercatori hanno sviluppato un modello promettente in grado di imitare più da vicino il corpo umano: l’organo su chip.
In qualità di chimico analitico , ho lavorato per sviluppare modelli di organi e tessuti che evitino la semplicità delle colture cellulari comuni e le discrepanze dei modelli animali. Credo che, con un ulteriore sviluppo, gli organi su chip possano aiutare i ricercatori a studiare malattie e testare farmaci in condizioni più vicine alla vita reale.
Cosa sono gli organi su chip?
Alla fine degli anni ’90, i ricercatori hanno escogitato un modo per sovrapporre polimeri elastici per controllare ed esaminare i fluidi a livello microscopico. Questo ha lanciato il campo della microfluidica , che per le scienze biomediche prevede l’uso di dispositivi in ??grado di imitare il flusso dinamico dei fluidi nel corpo, come il sangue.
I progressi nella microfluidica hanno fornito ai ricercatori una piattaforma per coltivare cellule che funzionano più da vicino a come farebbero nel corpo umano, in particolare con organi su chip . Il “chip” si riferisce al dispositivo microfluidico che racchiude le cellule. Sono comunemente realizzati utilizzando la stessa tecnologia dei chip per computer.
Non solo gli organi su chip imitano il flusso sanguigno nel corpo, ma queste piattaforme hanno microcamere che consentono ai ricercatori di integrare più tipi di cellule per imitare la vasta gamma di tipi di cellule normalmente presenti in un organo. Il flusso del fluido collega questi molteplici tipi di cellule, consentendo ai ricercatori di studiare come interagiscono tra loro.
Questa tecnologia può superare i limiti delle colture cellulari statiche e degli studi sugli animali in diversi modi. In primo luogo, la presenza di fluido che scorre nel modello gli consente di imitare sia ciò che una cellula sperimenta nel corpo, ad esempio come riceve i nutrienti e rimuove i rifiuti, sia come un farmaco si muoverà nel sangue e interagirà con più tipi di cellule. La capacità di controllare il flusso del fluido consente inoltre ai ricercatori di mettere a punto il dosaggio ottimale per un particolare farmaco.
Il modello lung-on-a-chip , ad esempio, è in grado di integrare le qualità meccaniche e fisiche di un polmone umano vivente. È in grado di imitare la dilatazione e la contrazione, o inspirazione ed espirazione, del polmone e simulare l’interfaccia tra il polmone e l’aria. La capacità di replicare queste qualità consente ai ricercatori di studiare meglio l’insufficienza polmonare attraverso diversi fattori.
Portare gli organi su chip su scala
Mentre l’organo su chip spinge i confini della ricerca farmaceutica in fase iniziale, la tecnologia non è stata ampiamente integrata nelle pipeline di sviluppo di farmaci. Credo che un ostacolo fondamentale per un’ampia adozione di tali chip sia la sua elevata complessità e la scarsa praticità.
Gli attuali modelli organ-on-a-chip sono difficili da usare per lo scienziato medio. Inoltre, poiché la maggior parte dei modelli è monouso e consente un solo input, il che limita ciò che i ricercatori possono studiare in un dato momento, sono sia costosi che laboriosi da implementare. Gli elevati investimenti necessari per utilizzare questi modelli potrebbero smorzare l’entusiasmo per adottarli. Dopo tutto, i ricercatori utilizzano spesso i modelli meno complessi disponibili per gli studi preclinici per ridurre tempi e costi.
Abbassare il livello tecnico per creare e utilizzare organi su chip è fondamentale per consentire all’intera comunità di ricerca di sfruttare appieno i loro vantaggi. Ma questo non richiede necessariamente la semplificazione dei modelli. Il mio laboratorio , ad esempio, ha progettato vari chip di tessuto “plug-and-play” che sono standardizzati e modulari, consentendo ai ricercatori di assemblare prontamente parti prefabbricate per eseguire i loro esperimenti.
L’avvento della stampa 3D ha anche notevolmente facilitato lo sviluppo di organi su chip, consentendo ai ricercatori di produrre direttamente interi modelli di tessuti e organi su chip. La stampa 3D è ideale per la prototipazione rapida e la condivisione dei progetti tra gli utenti e facilita anche la produzione in serie di materiali standardizzati.
Credo che gli organi su chip abbiano il potenziale per consentire progressi nella scoperta di farmaci e consentire ai ricercatori di comprendere meglio come funzionano gli organi in condizioni di salute e malattia. Aumentare l’accessibilità di questa tecnologia potrebbe aiutare a togliere il modello dallo sviluppo in laboratorio e lasciarlo lasciare il segno nell’industria biomedica.
Articolo ripubblicato da The Conversation, sotto una licenza Creative Commons, per leggere l’articolo originale clicca qui.