Uno schema grafico (a sinistra) e una fotografia (al centro) del dispositivo a doppio strato che mostra il canale superiore (contrassegnato con linee gialle) e inferiore (contrassegnato con linee rosse) separati da una membrana semipermeabile. Lo schema a destra mostra la coltura di un monostrato di cellule endoteliali sulla membrana semipermeabile e il modo in cui viene eseguito il trattamento con TNF-α dal canale inferiore. B, (i) Immagine in campo chiaro del canale superiore (contrassegnato con linee gialle) e inferiore (contrassegnato con linee rosse) che definisce il monte, TNF-α attivato e sezioni a valle, (ii) Immagini del citoscheletro F-actina marcate con fluorescenza (falloidina FITC) dello strato BAOEC confluente allineato al flusso (12 dyne/cm2 FSS per 24 ore). Le cellule vengono coltivate sulla membrana semipermeabile nel canale superiore del dispositivo. La freccia mostra la direzione del flusso (barra della scala:100 μm) Credito:Yaling Liu
La nanotecnologia ha portato a migliori tecniche diagnostiche e trattamenti più efficaci per una varietà di malattie. Piccoli dispositivi che misurano tra 1 e 100 micrometri (un micrometro equivale a un milionesimo di metro) consentono agli scienziati di osservare l'attività cellulare e fornire farmaci alle singole cellule, una svolta che è sul punto di rivoluzionare la medicina di precisione per il trattamento di malattie come cancro.
Un ostacolo alla realizzazione della promessa della nanomedicina è l'incapacità di osservare le interazioni cellula-cellula su scala nanometrica in un ambiente che simula da vicino l'ambiente dinamico all'interno del corpo. Un ambiente microfluido che imita il flusso sanguigno è la chiave per imparare come le cellule vengono danneggiate dalle condizioni patologiche e come potrebbero riprendersi in risposta al trattamento.
Ora un team di ricercatori della Lehigh University e dell'Università della Pennsylvania ha sviluppato una tecnica per osservare l'interazione cellula-cellula su scala nanometrica in condizioni di microfluidi. Hanno applicato con successo la tecnica allo studio dell'infiammazione dei vasi sanguigni, una condizione che pone le basi per le malattie cardiache, la prima causa di morte negli Stati Uniti e nel mondo. I loro risultati sono stati pubblicati in Biomicrofluidica .
"Abbiamo dimostrato che la nostra tecnica può essere applicata con successo allo studio dell'infiammazione e stiamo lavorando su un modo per osservare e intervenire in modo simile nella riparazione delle cellule tumorali, "ha detto Yaling Liu, Professore Associato di Ingegneria Meccanica e Meccanica, Bioingegneria presso Lehigh e coautore dello studio.
Gli attuali test sui farmaci in vitro sono costosi, richiede tempo e relativamente scarso nel prevedere le prestazioni dei farmaci in vivo. La tecnologia PharmaFlux è un servizio di test di microdispositivi per farmaci candidati in microambienti con malattie imitate. Credito:Yaling Liu
Imitare il processo di trasferimento dinamico
cronico, l'infiammazione di basso grado è fortemente associata a cellule endoteliali disfunzionali, che formano il rivestimento interno dei vasi sanguigni. L'aspetto della molecola di adesione intercellulare-1 (ICAM-1) sulla superficie delle cellule endoteliali, fondamentale nella regolazione dell'interazione cellula-cellula come parte della risposta del sistema immunitario del corpo, è un segno sicuro che l'infiammazione e la malattia sono presenti. Perciò, osservare l'attivazione delle cellule endoteliali in condizioni di malattia è essenziale per capire come si sviluppa la malattia cardiaca e come fermarla.
Il modo migliore per osservare questi cambiamenti è all'interno del corpo. Però, è molto difficile farlo. L'osservazione della malattia in una coltura cellulare statica, rimuovendo e facendo crescere le cellule in un ambiente artificiale come una capsula di Petri, è limitata nella sua capacità di rappresentare con precisione le interazioni dinamiche in condizioni di flusso sanguigno.
Oltre a Liu, il team di Lehigh include Linda Lowe-Krentz, Professoressa, Scienze biologiche; H. Daniel Ou-Yang, Professoressa, Fisica; e dottorato di ricerca studente Antony Thomas. Hanno collaborato con Vladimir R. Muzykantov, Professore di Farmacologia alla Penn per sviluppare un vaso sanguigno su un chip per studiare le dinamiche di ICAM-1 sulla superficie delle cellule endoteliali attivate in condizioni di malattia.
"Siamo stati in grado di imitare e osservare il processo di trasferimento dinamico, quel momento in cui le nanoparticelle ricoperte di anticorpo molecola-1 di adesione intercellulare si lega alla cellula che segnala la sovraregolazione dell'infiammazione da parte delle cellule endoteliali, su un chip. Siamo stati anche in grado di controllare con precisione il flusso di fluido, " ha detto Liu. "Questo metodo affidabile e relativamente semplice simula le condizioni in cui le cellule endoteliali esistono nel corpo, che consente di osservare in tempo reale la patologia cellulare, e analizzare le differenze nelle risposte delle cellule al trattamento".
Un ambiente ideale per i test antidroga
Poiché questa nuova tecnologia crea una piattaforma per concentrarsi su una particolare regione malata, Liu e i suoi colleghi ritengono che sia l'ideale per testare nuovi trattamenti per le malattie.
Le cellule sane esistono sullo stesso chip delle cellule malate, che consente un controllo più localizzato per testare un particolare farmaco. Questo, combinato con l'ambiente del flusso sanguigno simulato, consente inoltre ai ricercatori di raccogliere un set di dati molto più robusto di quanto potrebbero utilizzare una cultura statica.
L'uso da parte del team di nanoparticelle rivestite di anticorpi come sonde di imaging per valutare le caratteristiche delle cellule è un altro vantaggio chiave della nuova tecnologia. L'utilizzo delle sonde a nanoparticelle elimina la necessità di utilizzare anticorpi ICAM-1 marcati con radioisotopi per monitorare le interazioni cellulari, una tecnica piena di sfide normative e di sicurezza. È anche molto costoso.
"Il nostro sistema offre un servizio più sicuro, modo meno costoso per testare un nuovo farmaco in un ambiente che si avvicina molto all'ambiente di una regione malata, " disse Liù.
Un "ponte" verso la medicina di precisione
L'innovativa piattaforma del team fornisce anche un primo sguardo cruciale sull'efficacia e la sicurezza di un nuovo farmaco, un passo particolarmente importante considerando i rischi e le spese associati agli studi clinici sull'uomo.
Uno studio del 2012 presentato al Dipartimento della salute e dei servizi umani degli Stati Uniti ha dettagliato i costi degli studi clinici sui farmaci. Gli autori di "Examination of Clinical Trial Costs and Barriers for Drug Development" hanno stimato che il costo del completamento degli studi clinici per un nuovo farmaco è compreso tra circa $ 50 milioni e $ 115 milioni a seconda dell'area terapeutica:il sistema respiratorio e l'oncologia sono tra i più costosi .
Lo studio ha anche identificato i costi delle sperimentazioni cliniche come una possibile ragione alla base di un rallentamento delle domande di approvazione di nuovi farmaci. Tra il 2003 e il 2012 il numero di approvazioni della FDA di nuovi farmaci all'anno è sceso dalla media del decennio precedente di 30 a 25,7. Nello stesso periodo anche il numero medio annuo di depositi è leggermente diminuito. Gli autori affermano:"Una riduzione della pipeline di applicazioni dei farmaci significa meno nuove terapie negli anni futuri".
La tecnologia sviluppata dal team di Lehigh e UPenn offre alle aziende farmaceutiche la possibilità di dare una prima occhiata al profilo di efficacia e sicurezza di un nuovo trattamento prima di impegnarsi in studi clinici, quindi incorrere in minori rischi e minori costi. Secondo Liu, questo primo sguardo potrebbe fungere da "ponte" tra lo sviluppo di un farmaco e le sperimentazioni umane. In definitiva, e soprattutto, fornire questo "ponte" potrebbe portare allo sviluppo di nuovi trattamenti per le malattie che raggiungono i consumatori più rapidamente.
Coltivando direttamente le cellule dei pazienti nel loro chip biomimetico e testando in condizioni simili osservate in vivo, può fornire approfondimenti per la medicina di precisione su misura per un paziente specifico in un ambiente specifico per il paziente.
Liu, insieme al mentore del settore Ira Weisberg (CEO di Amherst Pharmaceuticals) e all'imprenditore Christopher Uhl (studente di dottorato in bioingegneria alla Lehigh) hanno ricevuto una sovvenzione della NSF Innovation Corp e hanno lavorato con l'Office of Technology Transfer della Lehigh University per commercializzare la tecnologia sotto il nome della società PharmaFlux.
"Mentre continuiamo a sviluppare la piattaforma oltre lo studio dell'infiammazione, "Liu dice, "Speriamo di dare un contributo significativo all'accelerazione della somministrazione mirata di farmaci e di contribuire a inaugurare una nuova era di una medicina migliore".
