„Tělo na čipu
Inženýři MIT vyvinuli v rámci výzkumu podporovaného agenturou DARPA a Výzkumným úřadem USA technologii, která by mohla být použita k analýze nových léků a detekci možných nežádoucích účinků předtím, než budou léky testovány u lidí.
Pomocí mikrofluidické platformy, která propojuje vytvořené tkáně až z 10 orgánů, lze přesně dlouhodobě testovat interakce lidských orgánů, což umožní měřit účinky léků na různé části těla.
Systém popsaný výzkumníky MIT v časopise Scientific Reports ukazuje, jak vzorky lidských tkání spojené mikrofluidními kanály replikují interakce více orgánů. Takový systém by mohl např. ukázat, zda lék určený k léčbě určitého orgánu nebude mít nepříznivé účinky na jiný. Tyto specializované čipy mohou být také použity k vyhodnocení protilátek a dalších imunoterapií, které je obtížné testovat na zvířatech, protože jsou navrženy pro interakci s lidským imunitním systémem.
„Některé z těchto efektů je opravdu těžké předpovědět ze zvířecích modelů, protože situace, které k nim vedou, jsou idiosynkratické. Pomocí nového čipu je možné distribuovat lék a pak hledat účinky na jiné tkáně a měřit expozici a jak se metabolizuje," říká profesorka biologického inženýrství a strojírenství Linda Griffithová, jedna z klíčových členů výzkumného týmu.
Modelování orgánů
Při vývoji nového léčiva výzkumníci zjišťují lékové cíle založené na tom, co vědí o biologii onemocnění, a pak vytvářejí sloučeniny, které tyto cíle ovlivňují. „Předklinické testy u zvířat mohou nabídnout informace o bezpečnosti a účinnosti léků před začátkem testování na lidech, ale nemusí odhalit potenciální nežádoucí účinky,“ říká Linda Griffithová s tím, že mnohé léky, které fungovaly na zvířatech, v lidských studiích často selhávají, protože zvířata nepředstavují lidi ve všech aspektech potřebných k vývoji léčiv a porozumění nemocem. Komplikace mohou nastat i v důsledku variability mezi jednotlivými pacienty, včetně jejich genetického zázemí, vlivů na životní prostředí, životního stylu a dalších léků, které mohou užívat.
Výzkumníci se proto rozhodli pro technologii, kterou nazývají „fyziologie na čipu", což může nabídnout způsob modelování potenciálních účinků léků přesněji a rychleji. K tomu potřebovali platformu umožňující tkáním růst a vzájemně se ovlivňovat - stejně jako vytvořená tkáň, která by přesně napodobovala funkce lidských orgánů.
Před zahájením projektu se však nikdy nepodařilo na platformě připojit více než několik různých typů tkání. Navíc většina výzkumníků pracuje s uzavřenými mikrofluidními systémy, které umožňují průtok tekutiny dovnitř a ven (pomocí externího čerpadla), ale neumožňují pracovat s tím, co se děje uvnitř čipu.
Tým MIT vytvořil otevřený systém, který usnadňuje manipulaci a odebírá vzorky pro analýzu. Jde o systém přizpůsobený již dříve vyvinuté technologii britskou CN BioInnovations, která rovněž zahrnuje několik miniaturních čerpadel. Ty umožňují řídit tok kapaliny mezi „orgány", které replikují oběh krve, imunitní buňky a bílkoviny lidského těla. Senzory také umožňují analyzovat větší vytvořené tkáně, např. nádory uvnitř orgánu.
Komplexní interakce
Bylo vytvořeno několik verzí čipu spojujících až 10 typů modelovaných orgánů: játra, plíce, střeva, endometrium, mozek, srdce, pankreas, ledviny, kůže a kosterní svaly. Každý „orgán" se skládá z klastrů 1 až 2 milionů buněk. Tyto tkáně nereplikují celý orgán, ale vykonávají mnoho důležitých funkcí. Významné je, že většina tkání pochází přímo z pacientských vzorků spíše než z buněčných linií vyvinutých pro laboratorní použití. Práce s těmito tzv. „primárními buňkami" je sice náročnější, ale podle vědců nabízí reprezentativnější model orgánové funkce.
Vědci pomocí tohoto systému ukázali, jak je možné přivést lék do gastrointestinální tkáně, napodobující ústní požití léku, a pak pozorovat, jak je transportován do jiných tkání a metabolizován. To by mělo umožnit měřit, kde se léky nacházejí, jak byly rozloženy a jejich účinky na různé tkáně. Mohlo by to představovat velký potenciál pro přesnou předpověď možných komplexních nežádoucích účinků.
Mikrofyziologické systémy představující jednotlivé orgány mohou být velice užitečné jak pro farmaceutické testy, tak pro základní studie na úrovni orgánů, přičemž velký potenciál nabízí zejména spojení více organických čipů do integrovaného systému pro farmakologii in vitro. Studie dokládá, že přístupy založené na multi-MPS typu „fyziologie na čipu", které kombinují genetické pozadí lidských buněk s fyziologicky relevantními objemy tkáně a médií, umožňují přesné předpovědi farmakokinetiky a absorpce, distribuce, metabolismu a vylučování.
Již nyní v laboratoři vyvíjejí modelový systém pro Parkinsonovu chorobu, který plánují použít k vyšetření hypotézy, že vývoj této nemoci mohou ovlivnit bakterie nacházející se ve střevě. Další aplikace zahrnují modelování nádorů, které metastázují na jiné části těla.
414
