Poprawa jakości życia człowieka za pomocą leczenia farmakologicznego jest skomplikowaną kwestią. Certyfikacja leków, w tym bezpieczeństwo i niezawodność leków, wymaga długiej serii testów i zatwierdzeń rządowych, zanim lek będzie dostępny dla każdego.

Testowanie leków jest kwestionowane przez obawy etyczne i biologiczne. Testowanie nowych leków na ludziach jest zazwyczaj częścią badań klinicznych i odbywa się pod koniec drogi leku do użytku publicznego. Przed tym momentem przeprowadzono wiele testów na zwierzętach. Coraz częściej wzywa się do wycofania testów na zwierzętach, częściowo z powodu różnic w biologii zwierząt i człowieka. Mówiąc prościej, to, że coś działa na myszy, nie oznacza, że ​​zadziała na człowieka.

Grupa naukowców akademickich z różnych instytucji połączyła siły z Jeffem Schultzem z Virginia Tech, aby znaleźć rozwiązanie, które mogłoby dać zorientowane na człowieka wyniki przy użyciu narzędzi syntetycznych. Ich podejście nie wymaga żadnych ludzkich podmiotów ani zwierząt. Zamiast tego wykorzystuje nowe technologie do tworzenia środowisk testowych, które są wysoce konfigurowalne. Leki można testować na komórkach, a nie na stworzeniach.

Zespół, którego prace zostały sfinansowane dotacją w wysokości 1,8 miliona dolarów z Narodowych Instytutów Zdrowia (NIH), składa się z następujących osób:

• Amrinder Nain, profesor inżynierii mechanicznej na Virginia Tech
• Rafael Davalos, Margaret P. i John H. Weitnauer Jr. Profesor przewodniczący na Georgia Tech
• Seemantini Nadkarni, profesor nadzwyczajny, Harvard Medical School i Massachusetts General Hospital
• Jeff Schultz, współzałożyciel firmy Phase Inc., zajmującej się drukiem mikroprzepływowym w technologii 3D, który uzyskał również trzy stopnie naukowe na Wydziale Nauki o Materiałach i Inżynierii Materiałowej Virginia Tech

Włamanie do mózgu

Bariery fizjologiczne są powszechne w organizmie, a jedna z nich, zwana barierą krew-mózg, składa się z sieci naczyń krwionośnych i tkanek. Jej funkcją jest umożliwienie substancjom pomocniczym, takim jak woda i tlen, przedostania się do mózgu, ale powstrzymanie szkodliwych substancji, które mogą prowadzić do chorób lub nowotworów. Odtworzenie tego skomplikowanego środowiska do testowania leków było trudne i nierzadko zdarza się, że badania kliniczne kończą się niepowodzeniem, gdy przenoszą się z laboratorium.

Leki zawodzą w badaniach klinicznych, ponieważ nie mogą przekroczyć bariery krew-mózg. Rzeczywistość jest taka, że ​​urządzenia, które zostały stworzone w laboratorium, nie działają i przepuszczają zbyt wiele substancji. To daje fałszywe informacje, przez które mogą przedostać się cząsteczki, a gdy wchodzisz do badań klinicznych, leki zawodzą, ponieważ warunki ludzkiego mózgu nie zostały prawidłowo zduplikowane.

Rafael Davalos, Georgia Tech

Zespół podchodzi do problemu za pomocą zastrzeżonej metody druku 3D firmy Phase, tworząc mikroprzepływy o wcześniej nieosiągalnych rozdzielczościach, które są również wysoce powtarzalne i skalowalne. Mikroprzepływy to niezwykle małe urządzenia, w których komórki i płyny można manipulować, aby stworzyć „organ na chipie”, który naśladuje zachowanie i funkcję organów ludzkich. Podczas gdy ten projekt koncentruje się na barierze krew-mózg, podstawowa technologia ma szerokie zastosowanie w innych organach, takich jak wątroba, płuca i skóra.

Schultz spędził swoją karierę na wymyślaniu i skalowaniu technik druku 3D zarówno dla startupów, jak i międzynarodowych konglomeratów. Opierając się na sile tego doświadczenia, zwrócił uwagę na zastosowanie elastyczności druku 3D w świecie biomedycznym.

„Budujemy coś, co bardziej realistycznie naśladuje geometrię ciała w porównaniu z innymi mikroprzepływami” — powiedział Schultz. „Wykorzystanie swobody projektowania druku 3D pozwala nam tworzyć urządzenia o takiej samej krzywiźnie, rozmiarze żył i funkcjonalności jak ludzkie ciało. Możemy wstawić zastawki podobne do serca, które są przyzwyczajone do pulsujących naprężeń mechanicznych. Daje nam to możliwość zobaczenia wyników, które są bliższe rzeczywistości niż gdyby komórki leżały płasko w naczyniu, i jest to robione w innych konwencjonalnych urządzeniach mikroprzepływowych, ale nie zostało jeszcze zastosowane w barierze krew-mózg”.

Urządzenia syntetyczne i żywe komórki

Schultz i Davalos współpracowali już nad nowymi metodami drukowania 3D urządzeń medycznych przy użyciu materiałów, które do tej pory były problematyczne w badaniach nad lekami. W pierwszej fazie tego projektu opracowali sposób drukowania 3D polidimetylosiloksanu (PDMS), polimeru silikonowego, który mógłby być używany do naśladowania bariery krew-mózg. Projekt ten otrzymał 173 000 dolarów od NIH.

„Wyzwaniem, które postawiliśmy sobie za cel, były materiały” — powiedział Schultz. „Nie było materiałów, które można by wydrukować w 3D na potrzeby mikroprzepływów, które byłyby powszechnie uznawane za bezpieczne dla komórek. PDMS był używany przez ponad dwie dekady, ale nie nadawał się do druku w 3D. Postanowiliśmy opracować technologię druku w 3D tego materiału, co NIH sfinansował w pierwszej fazie projektu”.

Materiał musiał być bezpieczny dla komórek, aby mogły rosnąć na platformie i zapewniać warunki do testowania żywotności różnych leków. Aby stworzyć sztuczną barierę krew-mózg, komórki krwi i tkanki, które tworzą barierę w żywym ciele, hodowano na wydrukowanym w 3D elemencie, stąd „organ na chipie”. Zaletą druku 3D jest to, że struktura tworzy różne ścieżki i architektury, co może prowadzić do dostosowania syntetycznej bariery krew-mózg do własnych potrzeb pacjenta.

Po odniesieniu sukcesu w pierwszej fazie Schultz i Davalos dostrzegli możliwości rozszerzenia projektu. Amrinder Nain miał wiedzę specjalistyczną i narzędzia gotowe do wykonania zadania i wcześniej współpracował z Davalos.

Zespół Davalosa opracował inne platformy organ-on-a-chip, aby przetestować zachowanie procesów biologicznych na małą skalę. Philip Graybill, niedawny absolwent Virginia Tech w zespole Davalosa, skupił się na opracowaniu takich mikroprzepływowych modeli bariery krew-mózg, a także na tym, jak pojedyncze komórki reagują na sygnały elektromechaniczne, wykorzystując platformę nanowłókien Naina. Dzięki ich współpracy Graybill dostrzegł szansę na połączenie jednej technologii w drugą, aby zbudować dokładniejszy model tego, co dzieje się w mózgu.

Tworzenie siatki

Specjalnością Naina są badania z membranami nanowłókiennymi, które działają w zasadzie tak samo jak żywe tkanki, tworzone przy użyciu sieci włókien przędzonych, które krzyżują się ze sobą w skali nano. Te membrany stały się kluczem do kolejnej ewolucji urządzenia i pomogły zespołowi zdobyć drugą rundę finansowania NIH. Grupa Davalosa i Naina niedawno opublikowała pierwszą w historii ultracienką i ultraporowatą barierę krew-mózg (BBB), która jest mniej więcej o 70 procent cieńsza niż inne istniejące metody jej badania.

„Co jest naprawdę fajnego w korzystaniu z Amrindera [Nain] „sieć światłowodowa jest tak cienka, że ​​po obu stronach mogą znajdować się komórki, które mogą się komunikować”, powiedział Davalos. „To tworzy ścisłe połączenia między komórkami, aby zapobiec przechodzeniu leków”.

To jest dokładnie taki poziom kontroli, jaki jest wymagany, aby dopasować wyniki badań klinicznych. Dzięki temu rozwojowi zespół zapewnił przyszłym badaczom niezawodne i szybsze narzędzie do testowania leków w fizjologicznie istotnych środowiskach, jednocześnie minimalizując modele zwierzęce.

„W barierze krew-mózg znajduje się fizyczna błona” – powiedział Schultz. „Amrinder [Nain]membrana nanowłókienna 's naśladuje grubość i porowatość mechanizmu w prawdziwym mózgu lepiej niż większość imitatorów stosowanych w podobnych urządzeniach. Kiedy zaproponowaliśmy fazę drugą NIH, zaproponowaliśmy użycie tych membran zintegrowanych z naszym poprzednim urządzeniem mikroprzepływowym PDMS.”

Aby stworzyć podejście organ-on-a-chip, każdy członek zespołu wykorzystał swoje specjalizacje. Proces przebiegał zazwyczaj w następujący sposób:

• Zespół Naina produkuje ultracienkie i nanoporowate imitacje membran.
• Zespół Schultza otrzymuje membranę, konstruuje projekt uwzględniający tę membranę, a następnie wykorzystuje system opracowany przez zespół Nadkarniego z Harvardu do testowania zachowania materiału.
• Gotowe dzieła wysyłane są do zespołu Davalosa, który wyposaża je w komórki i przeprowadza testy biologiczne.

„Technologie organ-on-a-chip mają być obecnie standardowymi protokołami laboratoryjnymi w XXI wieku” — powiedział Nain. „Nasze przełomy technologiczne umożliwiły stworzenie najcieńszej BBB na rynku. W przyszłych iteracjach projektu spodziewamy się, że będziemy w stanie sprostać wymiarom i architekturze występującej w ciele człowieka, aby osiągnąć wyniki fizjologiczne w warunkach laboratoryjnych. Gdy to się uda, zmieni się sposób, w jaki testujemy leki i badamy bioinżynierię i biofizykę”.