A plataforma corpo-sobre-chip humano estabelece as bases para melhores testes acelerados de drogas
O desenvolvimento de medicamentos éum processo a¡rduo e dispendioso, e as taxas de falha em ensaios clínicos que testam novos medicamentos quanto a sua segurança e eficácia em humanos permanecem altas. De acordo com as estimativas atuais, apenas 13,8% de todos os medicamentos testados demonstram sucesso clanico final e obtem aprovação da Food and Drug Administration (FDA). Tambanãm existem questões crescentes relacionadas a estudos com animais e uma busca por substituições.
Para ajudar a solucionar esse gargalo no desenvolvimento de medicamentos, Donald Ingber e sua equipe do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada de Harvard, desenvolveram o primeiro modelo humano de pulma£o “a³rga£o-em-um-chip†(chip de a³rga£o) humano que recapitula a fisiologia nonívelde órgãos humanos fisiopatologia com alta fidelidade, relatada em Scienceem 2010. Os chips de órgãos são dispositivos de cultura microfluadica compostos por um polamero flexavel claro do tamanho de um cartão de memória de computador, que contanãm dois canais ocos paralelos que são separados por uma membrana porosa. As células especaficas de órgãos são cultivadas em um lado da membrana em um dos canais, e as células endoteliais vasculares recapitulam uma linha de vasos sanguaneos, enquanto cada canal éperfundido independentemente com meio especafico do tipo de canãlula. A membrana porosa permite que os dois compartimentos se comuniquem e troquem moléculas como citocinas, fatores de crescimento e medicamentos, bem como produtos de decomposição de medicamentos gerados por atividades metaba³licas especaficas de órgãos.
Um exemplo em que os animais são necessa¡rios nos testes pré-clínicos éa caracterização da "farmacocinanãtica" de uma droga (PK) que envolve a quantificação de sua absorção, distribuição, metabolismo e excreção (ADME), que juntos determinam os naveis de droga no sangue. Essas respostas envolvem a interação entre diferentes órgãos ligados por uma vasculatura contendo sangue corrente.
Como os fragmentos de órgãos contem um canal vascular revestido de endotanãlio, Ingber propa´s em 2011 que seria possível criar um "corpo sobre fragmentos" humano transferindo fluidos entre os canais vasculares de muitos tipos diferentes de fragmentos de órgãos para imitar o fluxo sanguaneo e avaliar comportamentos de PK / PD de medicamentos em todo o sistema vinculado. Inspirada nessa visão e na constatação de que os programas de desenvolvimento baseados em animais existentes são inadequados para enfrentar as necessidades de desenvolvimento acelerado de contramedidas de medicamentos em uma situação de biotratamento, a Agência de Projetos de Pesquisa Avana§ada de Defesa (DARPA) solicitou pedidos de subsadios em 2012com um desafio aparentemente impossível: desenvolver 10 tipos de chips de órgãos que recapitulam as funcionalidades complexas de 10 órgãos humanos diferentes, projetar um instrumento automatizado para vincula¡-los fluidamente para criar uma plataforma funcional de body-on-chips humano e alavancar a modelagem computacional em combinação com dados experimentais gerados usando esta plataforma para prever quantitativamente o comportamento da droga humana PK / PD in vitro .
Agora, duas publicações consecutivas na Nature Biomedical Engineering, descrevem o sucesso da equipe Wyss em atingir esse objetivo na antegra.
Conhecida por apresentar desafios impossaveis como esse, a DARPA entende que a maioria dos pesquisadores não cumprira¡ os objetivos estabelecidos, mas que conseqa¼aªncias tecnologiicas extraordina¡rias sera£o criadas ao longo do caminho. “Esta¡vamos muito orgulhosos de obter um grande apoio financeiro da DARPA para enfrentar esse desafio, e agora estamos ainda mais orgulhosos por termos alcana§ado com aªxito seu objetivo, o que não seria possível sem os talentos excepcionais, o esparito interdisciplinar e a equipe monumental. esfora§o no Instituto Wyss â€, disse Ingber, que éo diretor fundador do Wyss, assim como o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children's Hospital, e professor de bioengenharia na Harvard John A. Paulson School of Engineering e Ciências Aplicadas (SEAS).Kevin Kit Parker , que também éprofessor da familia Tarr de bioengenharia e física aplicada no SEAS.
Em seu primeiro artigo, a equipe Wyss apresenta uma plataforma altamente modular de body-on-chips, que éativada por um instrumento “Interrogator†projetado que pode cultivar até10 chips de órgãos diferentes e transferir sequencialmente fluidos entre seus canais vasculares revestidos de endotanãlio imitar o fluxo sanguaneo humano normal entre os diferentes órgãos do nosso corpo. No segundo artigo, a equipe usa um manãtodo de escalonamento computacional para converter dados obtidos de experimentos com drogas envolvendo três tipos diferentes de cavacos de órgãos ligados fluidamente para suas respectivasDimensões de órgãos no corpo humano real. A abordagem écapaz de prever quantitativamente alterações nos naveis de medicamentos ao longo do tempo, bem como toxicidades especaficas de órgãos, que foram previamente medidas em pacientes humanos.
“Ambos os estudos representam um tremendo esfora§o de dezenas de pesquisadores do Instituto Wyss, que trabalharam em conjunto com nossos colaboradores de modelagem industrial, e reuniram seus conhecimentos coletivos de engenharia de tecidos, microfabricação, farmacologia, fisiologia e computação para fazer esse enorme avanço nos testes pré-clínicos de drogas possível â€, disse Rachelle Prantil-Baun , cientista saªnior da equipe do Wyss Institute com experiência no setor farmacaªutico que ajudou a orquestrar esse complexo esfora§o de vários investigadores com vários outros membros da equipe na plataforma Bioinspired Therapeutics and Diagnostics da Wyss.
O instrumento Interrogator permitiu a equipe cultivar, perfundir e vincular muitos tecidos humanos cultivados em um sistema de chip de maºltiplos órgãos, além de adicionar e amostrar o meio de uma maneira totalmente programa¡vel, usando os recursos robóticos de transferaªncia de laquidos do dispositivo, enquanto monitorava continuamente integridade do tecido com um microsca³pio integrado. “Neste estudo, vinculamos em sanãrie os canais vasculares de oito chips de órgãos diferentes, incluindo intestino, fagado, rim, coração, pulma£o, pele, barreira hematoencefa¡lica e cerebral, usando um substituto comum do sangue altamente otimizado, enquanto perfundaamos independentemente o indivaduo. canais revestidos por células especaficas de órgãos. O instrumento manteve a viabilidade de todos os tecidos e suas funções especaficas de órgãos por mais de três semanas e, principalmente,Richard Novak , co-primeiro autor de ambos os estudos. Novak éum engenheiro saªnior do Wyss Institute que projetou, fabricou e operou o instrumento Interrogator com sua equipe de bioengenharia.
No segundo estudo, a equipe usou o instrumento Interrogator para oferecer suporte a duas configurações diferentes de três chips de órgãos diferentes ligados entre si e a um reservata³rio de mistura de fluidos arteriovenoso central (AV) que ajudou a recapitular a troca de sangue e drogas real entre o órgãos individuais, além de fornecer uma maneira de realizar uma amostragem de sangue que imitaria a retirada de sangue de uma veia perifanãrica. Os pesquisadores acoplaram um chip intestinal humano a um chip hepa¡tico e renal e adicionaram nicotina ao canal do chip intestinal revestido por epitanãlio intestinal para simular a administração oral desse medicamento e sua primeira passagem pela parede intestinal e pelo sistema vascular. fígado onde émetabolizado e para o rim onde éexcretado. O chiclete de nicotina éusado para ajudar na cessação do tabagismo; Contudo,
Aplicando a análise de espectrometria de massa, a equipe de Wys quantificou os naveis de nicotina no reservata³rio AV e os efluentes dos canais vasculares de todos os diferentes chips de órgãos e, em seguida, ajustou os dados com uma abordagem de escala biomimanãtica recanãm-desenvolvida que os traduz dasDimensões do órgão chips para suasDimensões reais de órgãos no corpo humano. Pela primeira vez, essa abordagem computacional combinada com dados experimentais de chips de órgãos humanos demonstrou a capacidade de modelar a captação e o metabolismo de drogas e prever quantitativamente alterações dina¢micas nos naveis sanguaneos de drogas (PK), que foram previamente observadas em ensaios clínicos em humanos. A abordagem de escala, que também resolve o desafio da adsorção de medicamentos em materiais no sistema experimental, foi desenvolvida pelo co-autor Andrzej Przekwas, e sua equipe na CFD Research Corporation em Huntsville, Alabama.
"As concentrações máximas calculadas resultantes de nicotina, o tempo necessa¡rio para que a nicotina atinja os diferentes compartimentos teciduais e as taxas de depuração nas microplaquetas do fígado em nosso modelo in silico baseado em vitro refletiram de perto o que havia sido medido anteriormente em pacientes", disse Ben Maoz , co-primeiro autor do segundo estudo e ex-bolsista de Desenvolvimento de Tecnologia do Instituto Wyss no laboratório da Parker. Maoz atualmente éprofessor assistente da Universidade de Tel Aviv, Israel.
Com uma segunda configuração de chip de maºltiplos órgãos que compreende chips de fagado, rim e medula a³ssea com ligação fluadica, a equipe investigou os efeitos farmacola³gicos da cisplatina, um medicamento quimiotera¡pico comumente usado em tratamentos contra o ca¢ncer, que éadministrado por via intravenosa e exibe toxicidade indesejada no rim e medula a³ssea. "Nossa análise recapitula os efeitos farmacodina¢micos da cisplatina em pacientes, incluindo uma diminuição no número de diferentes tipos de células sanguíneas e um aumento nos marcadores de lesão renal", disse a co-primeira autora Anna Herland , que trabalhou na equipe de Ingber na anãpoca do estude. "Além disso, o in vitro- para- in vivo as capacidades de tradução do sistema produziram informações quantitativas sobre como a cisplatina émetabolizada e eliminada pelo fígado e pelos rins, o que o tornara¡ adequado para previsaµes mais refinadas de absorção, distribuição, metabolismo, excreção e toxicidade de drogas. â€Herland éagora professor associado da KTH Royal Institute of Technology e Karolinska Institute em Estocolmo, Suanãcia.
“a‰ isso que gostamos de fazer no Instituto Wyss: transformar a ficção cientafica em fato cientafico. E esperamos que nossa demonstração de que essenívelde biomimanãtica seja possível usando a tecnologia de chips de órgãos desperte um interesse ainda maior da indústria farmacaªutica, para que os testes em animais possam ser progressivamente reduzidos ao longo do tempo â€, disse Ingber.