Usando la stessa esperienza che hanno impiegato per costruire nuovi organi per i pazienti, scienziati del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine e colleghi hanno progettato micro cuori, polmoni e fegato potenzialmente utilizzabili per testare nuovi farmaci. Combinando i microrganismi in un sistema monitorato, i ricercatori mirano a imitare il modo in cui il corpo umano risponde ai farmaci.

L'obiettivo dello sforzo, noto come "body-on-a-chip, " è quello di aiutare a ridurre il prezzo stimato di $ 2 miliardi e il tasso di fallimento del 90% che le aziende farmaceutiche affrontano quando sviluppano nuovi farmaci. I composti farmaceutici sono attualmente sottoposti a screening in laboratorio utilizzando cellule umane e quindi testati sugli animali. i farmaci colpiscono gli organi umani.

"C'è un urgente bisogno di sistemi migliori per prevedere con precisione gli effetti dei farmaci, sostanze chimiche e agenti biologici sul corpo umano, " disse Antonio Atala, M.D., direttore dell'istituto e ricercatore senior sul progetto corpo multi-istituzionale su un chip, finanziato dalla Defense Threat Reduction Agency.

In Rapporti scientifici , pubblicato da Natura , il team di ricerca riporta il successo nell'ingegneria di organi 3D di micro dimensioni, conosciuti come organoidi, e collegandoli insieme su un'unica piattaforma per monitorarne il funzionamento. Mentre altri team hanno combinato cellule di più organi in un sistema simile, questo è il primo successo riportato utilizzando strutture di organi 3D, noto per essere più funzionante e per modellare più accuratamente il corpo umano.

Le strutture degli organi sono state realizzate con tipi di cellule trovati nei tessuti umani nativi utilizzando la stampa 3D e altri metodi. Cuore e fegato sono stati selezionati per il sistema perché la tossicità per questi organi è una delle ragioni principali per i fallimenti dei candidati farmaci e per i richiami di farmaci. I polmoni sono il punto di ingresso per le particelle tossiche e anche per i farmaci aerosol, come gli inalatori per l'asma.

Gli organoidi sono posti in un contenitore sigillato, sistema monitorato - completo di telecamera in tempo reale. Un liquido ricco di sostanze nutritive che circola attraverso il sistema mantiene in vita gli organoidi e viene utilizzato per introdurre potenziali terapie farmacologiche nel sistema.

I ricercatori hanno prima testato gli organoidi per garantire la loro somiglianza con gli organi umani. Per esempio, il microfegato ha ricevuto una dose elevata di un comune antidolorifico e poi un farmaco diverso per contrastare gli effetti tossici.

"I dati mostrano una significativa risposta tossica al farmaco e una mitigazione dal trattamento, riflettendo accuratamente le risposte osservate nei pazienti umani, " disse Aleks Skardal, dottorato di ricerca, assistente professore al Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, che ha rappresentato il team multi-investigatore come l'autore principale del documento.

Ma più importante del modo in cui un singolo organo risponde ai farmaci è il modo in cui risponde il corpo nel suo insieme. In molti casi durante la sperimentazione di nuovi farmaci candidati - e talvolta anche dopo che i farmaci sono stati approvati per l'uso - i farmaci hanno effetti tossici inaspettati nei tessuti non direttamente presi di mira dai farmaci stessi.

"Se controlli un farmaco solo nel fegato, Per esempio, non vedrai mai un potenziale effetto collaterale su altri organi, " ha detto Skardal. "Utilizzando un sistema multi-tessuto organ-on-a-chip, si spera di poter identificare gli effetti collaterali tossici all'inizio del processo di sviluppo del farmaco, che potrebbe salvare vite e milioni di dollari".

Gli scienziati hanno condotto diversi scenari per garantire che il sistema body-on-a-chip mimi una risposta multiorgano. Per esempio, hanno introdotto nel sistema un farmaco usato per curare il cancro. Noto per causare cicatrici dei polmoni, il farmaco ha anche colpito inaspettatamente il cuore del sistema. Però, un esperimento di controllo che utilizzava solo il cuore non ha mostrato alcuna risposta.

Gli scienziati teorizzano che il farmaco ha causato la circolazione delle proteine ​​infiammatorie del polmone in tutto il sistema. Di conseguenza, il cuore ha aumentato i battiti e poi si è fermato del tutto, indicando un effetto collaterale tossico.

"Questo è stato completamente inaspettato, ma è il tipo di effetto collaterale che può essere scoperto con questo sistema nella pipeline di sviluppo del farmaco, " ha detto Skardal.

Gli scienziati stanno lavorando per aumentare la velocità del sistema per lo screening su larga scala, e anche per aggiungere altri organi.

"Alla fine ci aspettiamo di dimostrare l'utilità di un sistema body-on-a-chip contenente molti degli organi funzionali chiave del corpo umano, " ha affermato Atala. "Questo sistema ha il potenziale per uno screening farmacologico avanzato e anche per essere utilizzato nella medicina personalizzata - per aiutare a prevedere la risposta di un singolo paziente al trattamento".

Sono state depositate diverse domande di brevetto comprendenti la tecnologia descritta nel manoscritto.