Získání nového léčiva z myšlenky v chemické laboratoři na trh trvá mnoho let a miliardy dolarů. Každý rok je ve Spojených státech schváleno jen několik desítek nových léků.
Lidské „orgány na čipech“ vedou revoluci v testování bezpečnosti léků. Tato zařízení používají lidské buňky k modelování struktury a funkce lidských orgánů a tkání. Testováním potenciálních účinků léčiv na různé orgány rychleji než tradiční metody mohou orgány na čipech snížit potřebu studií na zvířatech a lépe předpovídat, která nová léčiva budou účinně léčit lidské onemocnění.
V rámci interdisciplinárního výzkumného týmu pracujeme na ledvinách na čipu, abychom lépe porozuměli tomu, jak začínají onemocnění ledvin a které léky je mohou bezpečně léčit.
**********
Historicky se laboratorní testování nových léků provádí v buňkách pěstovaných v miskách nebo bankách. Pokud léčivo prochází počátečními screeningovými testy in vitro, vědci jej dále testují in vivo u živých zvířat, aby určili účinky nového léku na celý systém namísto pouze jednoho typu buněk najednou. Konečně, po mnoha letech laboratorního zkoumání, budou vědci testovat slibnou novou drogu u lidí, aby zjistili, zda je bezpečná a účinná.
Problém spočívá v tom, že 9 z 10 těchto léků nikdy nedělá z menších testů na lidském těle pacienta, protože se ukázalo, že jsou neúčinné nebo toxické, i když prokázaly slibné výsledky v časném testování.
Orgány na čipech mají potenciál tento systém úplně transformovat. Od velikosti nehtu po velikost kreditní karty se skládají z tekutých kanálů a malých komor, které obsahují vzorky lidských buněk. Orgány na čipech, které se vyvíjejí v laboratořích po celé zemi, zahrnují ledviny, plíce, játra, střeva, kůži, mozek, srdce, kosti a reprodukční systémy.
Tekoucí kapalina v orgánu na čipu zásobuje buňky kyslíkem a živinami, podobně jako krev udržuje buňky v lidském těle. Díky tomuto neustálému toku jsou tato zařízení speciální. Buňky pěstované v zařízeních s orgány na čipech fungují spíše jako buňky v lidském orgánu než buňky pěstované v plochých miskách bez průtoku.
Tekutina cirkuluje ledvinou na čipu. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Ledviny jsou neuvěřitelně důležité pro celkové lidské zdraví. Obě pěstní ledviny odstraňují z těla drogy a nežádoucí sloučeniny a hrají zásadní roli při udržování správné rovnováhy solí a vody, krevního tlaku a vitamínu D a zdraví kostí. Genetické stavy a dokonce i běžně podávané léky mohou za určitých okolností poškodit ledviny.
V USA má 15 procent dospělých onemocnění ledvin. Ale většina to ani neví, protože onemocnění ledvin často nevykazují žádné příznaky, dokud není stav velmi pokročilý. Je naléhavě nutné pochopit, jak začíná onemocnění ledvin, a vyvinout nové bezpečné a účinné léčby.
Zde na University of Washington je náš tým pro výzkum ledvin na čipu složen z vědců z mnoha různých oborů, včetně farmacie, farmaceutických věd, nefrologie (medicína ledvin), toxikologie, biochemie a bioinženýrství.
Ve spolupráci s místní biotechnologickou společností Nortis, Inc., náš tým vytvořil malé zařízení - velikost vizitky - s až třemi malými zkumavkami, z nichž každá je jedna tisícina velikosti kapky vody a obsahuje 5 000 lidských ledvinové buňky. Když je přes zkumavky pumpováno malé množství tekutiny, jsou ledvinové buňky vystaveny důležitým signálům, které pomáhají buňkám v čipu chovat se, jako by byly v živé ledvině.
Zjistili jsme, že ledvinové buňky uvolňují signály - nazývané biomarkery - zranění, když jsou vystaveny známým ledvinovým toxinům. Náš výzkum ukázal, že buňky na čipu uvolnily markery zranění běžně pozorované v moči lidí s poškozením ledvin. Testování se starší metodou s použitím buněk na plotnách neprokázalo při stejném ošetření žádné poškození. To naznačuje, že ledvina na čipu může být lepší než stávající metody při předpovídání, zda nový lék způsobí poškození ledvin u lidí.
Tato zařízení lépe testují, jak molekuly ovlivňují živé lidské buňky. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nyní, když jsme dosáhli těchto slibných výsledků, začínají vědecké týmy po celé zemi spojovat různé orgány, aby replikovaly složitější systém s více orgány, aby poskytly lepší přehled o tom, jak drogy ovlivňují lidi. Například se nám podařilo připojit játra na čip k ledvině na čipu, abychom zjistili, jak rostlinný extrakt používaný v některých bylinných lécích nazývaných kyselina aristolochová poškozuje ledvinové buňky. Toto zkoumání od čipu k čipu zvyšuje potřebu vzájemně propojených orgánů na čipu pro replikaci složité mechaniky v lidském těle.
V nadcházejícím roce bude náš projekt s ledvinami na čipu jedním z několika odeslaných na Mezinárodní vesmírnou stanici, kde nízká gravitace urychluje změny v buňkách a někdy způsobuje zdravotní problémy astronautům. Vesmírná stanice by mohla být ideálním místem, kde se dozvíte více o onemocněních ledvin v týdnech, nikoli v letech nebo desetiletích.
Orgány na čipech lze také použít k objevování nových cílů v oblasti drog. Náš tým hodnotí ledviny na čipu jako nástroj k personalizaci výběru a dávkování léků u lidí s rakovinou ledvin, polycystickým onemocněním ledvin a chronickým onemocněním ledvin. Další laboratoře na čipech po celé zemi studují nemoci imunitního systému, mozku, plic, srdce a cév. Společnou prací vyvíjejí desítky výzkumných týmů tuto novou technologii, která revoluci v objevování drog vede k vývoji lepších a bezpečnějších léků pro všechny.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Catherine Yeung, výzkumná asistentka farmacie, University of Washington
Edward Kelly, docent farmacie na University of Washington
Jonathan Himmelfarb, ředitel Výzkumného ústavu ledvin a profesor medicíny, University of Washington
