Skip to main content

Tracking the Dynamics of Human Metabolism using Spectroscopy-Integrated Liver-on-Chip Microdevices

Article Category

Article available in the folowing languages:

Doskonalsze leki dzięki bionicznym mikrotkankom

Modele zwierzęce nie pozwalają dokładnie przewidzieć, jak nowe leki będą działać u ludzi. W związku z tym zespół projektu OCLD wykorzystał połączenie ludzkich mikrotkanek z czujnikami elektronicznymi, tworząc nowy paradygmat prac nad lekami.

Zdrowie

Prace nad nowymi farmaceutykami bardzo często kończą się niepowodzeniem. Jedną z głównych przyczyn jest fakt, że ze względu na różnice fizjologiczne i genetyczne modele zwierzęce nie pozwalają dokładnie przewidzieć reakcji organizmu człowieka. Z tego względu szacowany koszt opracowania jednego leku wynosi ponad 2,6 mld USD. Jednym ze sposobów na trafniejsze przewidywanie właściwości leków jest przygotowanie platformy mikrofluidycznej naśladującej ludzką fizjologię i połączenie jej z ludzkimi mikrotkankami o odpowiednim profilu genetycznym i metabolicznym. Zespół finansowanego przez Europejska Radę ds. Badań Naukowych projektu OCLD rozwinął tę koncepcję, scalając czujniki elektroniczne z mikrotkankami. „Platforma DynamiX pozwala badać ludzkie narządy i gromadzić dane na temat mechanizmów chorób, takich jak uszkodzenie nerek lub zakażenie wirusowe. Dzięki zrozumieniu tych procesów jesteśmy w stanie identyfikować doskonalsze leki”, wyjaśnia Yaakov Nahmias, koordynator projektu z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, pełniącego rolę gospodarza projektu. Platforma DynamiX została niedawno nagrodzona pieczęcią doskonałości przyznawaną przez Komisję Europejską, na co zwraca uwagę Tissue Dynamics, firma spin-off wprowadzająca ten produkt na rynek.

Skuteczność miniaturowych modeli

Projekt OCLD bazuje na projekcie HeMiBio, w którego ramach w 2012 r. na zamówienie firmy L’Oréal opracowano pierwszą mikrotkankę zawierającą czujniki. Mikrotkanki to miniaturowe modele ludzkich narządów. Zespół projektu OCLD pobiera komórki z ludzkiej wątroby, nerki lub płuca, a następnie, stosując techniki inżynierii genetycznej, hoduje je poza organizmem człowieka. Komórki te miesza się z komórkami śródbłonkowymi, by wytworzyć naczynia krwionośne i wspomóc budowanie ludzkich tkanek o średnicy około pół milimetra. Mikrotkanki takie mogą zachowywać się, jak gdyby znajdowały się w ludzkim ciele. Każda z nich zawiera od jednego do czterech czujników tlenu – o grubości zbliżonej do ludzkiego włosa – które przez kilka miesięcy monitorują oddychanie tkankowe. Tkanki umieszcza się na chipie mikrofluidycznym, gdzie za pomocą dodatkowych czujników elektrochemicznych przez miesiąc nieustannie obserwuje się wchłanianie glukozy, mleczanu i glutaminy przez komórki. Na podstawie informacji uzyskanych z platformy i za pomocą oprogramowania tworzy się modele obliczeniowe metabolizmu komórkowego i identyfikuje problemy, które wskazują na obecność choroby. Następnie do modeli mikrotkankowych wprowadza się różne leki. Wykorzystując model wątroby, badacze ustalili, że stawudyna, lek przeciw HIV, wywołuje chorobę stłuszczeniową wątroby w wyniku upośledzenia utleniania lipidów, podobnie jak u gryzoni modelowych. Natomiast wbrew temu, co sugerują obserwacje u zwierząt, kwas walproinowy, lek na padaczkę, zwiększa wchłanianie glukozy, powodując chorobę stłuszczeniową wątroby – odkrycie to trafiło na okładkę magazynu Lab on a Chip. Z kolei za pomocą modelu nerki wykazano, że cisplatyna, lek przeciwrakowy, powoduje uszkodzenie nerek poprzez odkładanie lipidów, a nie, jak u gryzoni, rozszerzanie naczyń krwionośnych. Wyniki badania, prezentowanego na okładce magazynu Science Translational Medicine, pokazały, że uszkodzeniom wywołanym przez cisplatynę można zapobiec, stosując ją w połączeniu z empagliflozyną, oraz, co cieszy, że podawanie obu tych leków pozwala chronić pacjentów przed najgorszymi skutkami chemioterapii. „Odkrycie to przełoży się nie tylko na potencjalne zwiększenie bezpieczeństwa stosowania chemoterapeutyków, lecz także na inne korzyści. W czasie pandemii COVID-19 za pomocą platformy DynamiX rozpoznano podobny mechanizm odkładania lipidów w ludzkich komórkach płuc. Nasze narzędzie pozwoliło wskazać fenofibrat jako potencjalny środek przeciwwirusowy, a dane kliniczne wskazują, że chroni on ludzi przed wirusem”, mówi Nahmias. Ustalenie to jest przedmiotem prowadzonego obecnie badania klinicznego fazy III, które finansuje firma Abbott.

Nowy paradygmat prac nad lekami

Platforma DynamiX to unikalne narzędzie do opracowywania leków, które ostrzega badaczy o potencjalnych zagrożeniach jeszcze przed rozpoczęciem badań klinicznych lub przed przystąpieniem do uzyskiwania pozwolenia na dopuszczenie do obrotu. Ponieważ pozwala ona wykryć toksyczne działanie leków w perspektywie długo- i krótkoterminowej, może również wspomagać wyznaczanie minimalnej dawki skutecznej oraz maksymalnej dawki bezpiecznej leków przed rozpoczęciem badań klinicznych. Firma Tissue Dynamics zbiera obecnie środki w kwocie 10 mln USD na badanie kliniczne nowego leku przeciw chorobie stłuszczeniowej wątroby. Ponadto szuka wsparcia finansowego dla kilku onkologicznych badań klinicznych oceniających bezpieczeństwo terapii przeciwnowotworowych.

Słowa kluczowe

OCLD, mikrotkanka, czujniki, lek, narządy, inżyniera genetyczna, padaczka, rak, chemioterapia, wirus, modele zwierzęce

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania