La tecnologia “Body on chip” potrebbe migliorare la valutazione degli effetti dei farmaci sul corpo
La nuova tecnologia adopera campioni di tessuto umano collegati da canali microfluidici per replicare le reazioni tra più organi e fornire informazioni sugli effetti di un farmaco.
Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato una nuova tecnologia che potrebbe essere utilizzata per valutare i nuovi farmaci e individuare possibili effetti collaterali prima che i farmaci siano testati negli esseri umani.
Utilizzando una piattaforma microfluidica che collega i tessuti ingegnerizzati da un massimo di 10 organi, i ricercatori possono replicare accuratamente le interazioni degli organi umani per settimane, e misurare gli effetti dei farmaci sulle diverse parti del corpo.
Tale sistema potrebbe rivelare, ad esempio, se un farmaco destinato al trattamento di un organo possa avere effetti negativi su un altro organo.
“Alcuni di questi effetti sono davvero difficili da prevedere dai modelli animali, perché le situazioni che li portano sono idiosincratiche,” dice Linda Griffith, della Scuola di Ingegneria, professoressa di Innovazione e di Ingegneria Biologica e Ingegneria Meccanica, e uno degli autori senior dello studio. “Con il nostro chip, è possibile distribuire un farmaco e poi cercare gli effetti su altri tessuti, e misurare l’esposizione e come viene metabolizzato.”
Questi chip potrebbero anche essere utilizzati per valutare i farmaci anticorpali e altre immunoterapie, che sono difficili da testare a fondo negli animali perché sono progettati per interagire con il sistema immunitario umano.
David Trumper, professore di ingegneria meccanica al MIT, e Murat Cirit, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Biologica, sono anche autori senior del lavoro, che appare nella rivista Scientific Reports. Gli autori principali del lavoro sono gli ex postdoc del MIT Collin Edington e Wen Li Kelly Chen.
Modellizzazione degli organi
Quando si sviluppa un nuovo farmaco, i ricercatori identificano gli obiettivi del farmaco in base a ciò che sanno sulla biologia della malattia, e quindi creano composti che influenzano tali obiettivi. I test preclinici sugli animali possono offrire informazioni sulla sicurezza e l’efficacia di un farmaco prima che inizi la sperimentazione sull’uomo, ma tali test potrebbero non rivelare potenziali effetti collaterali, dice Griffith. Inoltre, i farmaci che funzionano negli animali spesso falliscono nelle sperimentazioni umane.
“Gli animali non rappresentano le persone in tutti gli aspetti necessari per sviluppare farmaci e comprendere le malattie,” dice Griffith. “Questo sta diventando sempre più evidente quando analizziamo diversi tipi di farmaci”.
Le complicanze possono anche sorgere a causa della variabilità tra i singoli pazienti, compreso il loro background genetico, le influenze ambientali, gli stili di vita e altri farmaci che possono assumere. “Molto spesso non si vedono problemi con un farmaco, in particolare con qualcosa che potrebbe essere ampiamente prescritto, fino a quando non viene immesso sul mercato,” dice Griffith.
Come parte di un progetto guidato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Griffith e i suoi colleghi hanno deciso di perseguire una tecnologia che chiamano “physiome-on-a-chip”, che a loro avviso potrebbe offrire un modo per modellare i potenziali effetti dei farmaci in modo più accurato e rapido. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori avevano bisogno di nuove attrezzature — una piattaforma che permettesse ai tessuti di crescere e interagire tra loro — e di tessuti artificiali che imitassero accuratamente le funzioni degli organi umani.
Prima dell’avvio di questo progetto, nessuno era riuscito a collegare più di alcuni tipi diversi di tessuto su una piattaforma. Inoltre, la maggior parte dei ricercatori che lavoravano su questo tipo di chip stavano lavorando con sistemi microfluidici chiusi, che permettono al fluido di fluire dentro e fuori, ma non offrono un modo semplice per manipolare ciò che sta accadendo all’interno del chip. Questi sistemi richiedono anche pompe esterne.
Il team del MIT ha deciso di creare un sistema aperto, che essenzialmente rimuove il coperchio e rende più facile manipolare il sistema e rimuovere i campioni per l’analisi. Il loro sistema, adattato dalla tecnologia che hanno precedentemente sviluppato e commercializzato attraverso la CN BioInnovations con sede nel Regno Unito, incorpora anche diverse pompe di controllo del flusso di liquido tra gli “organi”, che replicano la circolazione del sangue, delle cellule immunitarie e delle proteine attraverso il corpo umano. Le pompe consentono inoltre di analizzare tessuti ingegnerizzati di dimensioni maggiori, ad esempio tumori all’interno di un organo.
Interazioni complesse
I ricercatori hanno creato diverse versioni del loro chip, collegando fino a 10 tipi di organi: fegato, polmone, intestino, endometrio, cervello, cuore, pancreas, rene, pelle e muscolo scheletrico. Ogni “organo” è costituito da gruppi di 1 o 2 milioni di cellule. Questi tessuti non replicano l’intero organo, ma svolgono molte delle sue funzioni importanti. Significativamente, la maggior parte dei tessuti proviene direttamente da campioni di pazienti piuttosto che da linee cellulari che sono state sviluppate per l’uso in laboratorio. Queste cosiddette “cellule primarie” sono più difficili da lavorare, ma offrono un modello più rappresentativo della funzione dell’organo, dice Griffith.
Utilizzando questo sistema, i ricercatori hanno dimostrato di poter somministrare un farmaco al tessuto gastrointestinale, imitando l’ingestione orale di un farmaco, e poi osservare come il farmaco è stato trasportato ad altri tessuti e metabolizzato. Hanno potuto misurare dove le sostanze sono andate, gli effetti dei farmaci su diversi tessuti, e come le sostanze sono state ripartite. In una pubblicazione correlata, i ricercatori hanno analizzato come i farmaci possano causare stress inaspettati al fegato rendendo il tratto gastrointestinale “ermetico”, permettendo ai batteri di entrare nel flusso sanguigno e produrre infiammazioni nel fegato.
Kevin Healy, un professore di bioingegneria e scienza dei materiali e ingegneria presso l’Università della California a Berkeley, dice che questo tipo di sistema ha un grande potenziale per una previsione accurata di reazioni avverse complesse dei farmaci.
“Mentre i sistemi microfisiologici (MPS) con singoli organi possono essere di grande utilità sia per i test farmaceutici che per gli studi di base a livello di organi, l’enorme potenziale della tecnologia MPS è rivelato dal collegamento di più chip di organi in un sistema integrato per la farmacologia in vitro. Questo studio illustra splendidamente che gli approcci multi-MPS “physiome-on-a-chip”, che combinano il background genetico delle cellule umane con volumi fisiologicamente rilevanti di tessuto-medio, permettono una previsione accurata della farmacocinetica e l’assorbimento del farmaco, la distribuzione, il metabolismo e l’escrezione,” dice Healy, che non è stato coinvolto nella ricerca.
Griffith ritiene che le applicazioni più immediate per questa tecnologia coinvolgano la modellazione di due o quattro organi. Il suo laboratorio sta ora sviluppando un sistema campione per il morbo di Parkinson che include cervello, fegato e tessuto gastrointestinale, che prevede di utilizzare per indagare l’ipotesi che i batteri trovati nell’intestino possono influenzare lo sviluppo del morbo di Parkinson.
Altre applicazioni includono i tumori di modellazione che metastatizzano alle altre parti del corpo, dice.
“Un vantaggio della nostra piattaforma è che possiamo aumentarla o diminuirla e adattarla a molte configurazioni diverse,” dice Griffith. “Penso che il settore passerà attraverso una transizione in cui inizieremo a ottenere maggiori informazioni da un sistema a tre o quattro organi, e inizierà a diventare vantaggioso perché le informazioni che si raccolgono sono molto preziose”.
La ricerca è stata finanziata dall’Ufficio di ricerca dell’esercito statunitense e dalla DARPA.
Tradotto in Italiano. Articolo originale: MIT
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