Det tager mange år og milliarder af dollars at få et nyt lægemiddel fra en idé i kemilaboratoriet til markedet. Hvert år godkendes kun flere dusin nye lægemidler til brug i USA.
Menneskelige "organer-på-chips" fører en revolution inden for testning af lægemiddelsikkerhed. Disse enheder bruger humane celler til at modellere strukturen og funktionen af menneskelige organer og væv. Ved at teste de potentielle virkninger af medikamenter på forskellige organer hurtigere end traditionelle metoder, kan organer på chips reducere behovet for dyreforsøg og bedre forudsige, hvilke nye lægemidler der effektivt behandler menneskelig sygdom.
Som en del af et tværfagligt forskerteam arbejder vi på en nyre-på-en-chip for at forbedre vores forståelse af, hvordan nyresygdomme begynder, og hvilke lægemidler der sikkert kan behandle dem.
**********
Historisk set udføres laboratorietest for nye lægemidler i celler, der er dyrket i tallerkener eller kolber. Hvis et lægemiddel gennemgår de første screeningstests in vitro, tester forskerne det in vivo i levende dyr for at bestemme virkningen af et nyt lægemiddel på et helt system i stedet for kun en celletype ad gangen. Endelig, efter mange års laboratorieundersøgelse, vil forskere teste et lovende nyt lægemiddel hos mennesker for at se, om det er sikkert og effektivt.
Problemet er, at 9 ud af 10 af disse lægemidler gør det aldrig fra små menneskelige tests til patienten, fordi de viser sig at være ineffektive eller toksiske, selvom de viste lovende resultater ved tidlig test.
Organer-on-chips har potentialet til at transformere dette system fuldstændigt. Fra størrelsen på en negle til kreditkortet består de af væskekanaler og små kamre, der indeholder humane celleprøver. Organer-på-chips under udvikling i laboratorier rundt om i landet inkluderer nyre, lunge, lever, tarme, hud, hjerne, hjerte, knogler og reproduktionssystemer.
I en organ-på-en-chip forsyner flydende væske cellerne med ilt og næringsstoffer, svarende til den måde, blod opretholder celler i den menneskelige krop. Det er denne konstante strøm, der gør disse enheder specielle. Celler, der dyrkes i organer på chips, fungerer mere som celler i et menneskeligt organ end celler, der dyrkes i flade skåle uden strøm.
Væske cirkulerer gennem en nyre-på-en-chip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nyrer er utroligt vigtige for den generelle menneskers sundhed. De to nyrestørrede nyrer fjerner medikamenter og uønskede forbindelser fra kroppen og spiller en kritisk rolle i at opretholde korrekt salt- og vandbalance, blodtryk og vitamin D og knoglesundhed. Genetiske tilstande og endda ofte administrerede medikamenter kan under nogle omstændigheder skade nyrerne.
I USA har 15 procent af voksne nyresygdomme. Men de fleste ved det ikke engang, fordi nyresygdomme ofte ikke viser nogen symptomer, før tilstanden er meget avanceret. Der er et presserende behov for at forstå, hvordan nyresygdomme begynder, og at udvikle nye sikre og effektive behandlinger.
Her på University of Washington består vores nyre-på-en-chip-forskerteam af forskere fra mange forskellige discipliner, herunder apotek, farmaceutisk videnskab, nefologi (nyremedicin), toksikologi, biokemi og bioingeniør.
I samarbejde med Nortis, Inc., et lokalt bioteknologisk firma, har vores team oprettet en lille enhed - på størrelse med et visitkort - med op til tre små rør, hver en tusindedel af størrelsen på en dråbe vand, der indeholder 5.000 mennesker nyreceller. Når små mængder væske pumpes gennem rørene, udsættes nyrecellerne for vigtige signaler, der hjælper cellerne i chippen til at opføre sig som om de var i en levende nyre.
Vi har fundet ud af, at nyrecellerne frigiver signaler - kaldet biomarkører - om skade, når de udsættes for kendte nyretoksiner. Vores forskning viste, at celler på chippen frigav markører for skade, der ofte ses i urinen hos mennesker med nyreskade. Testning med den ældre metode ved anvendelse af celler på plader viste ikke nogen skade med den samme behandling. Dette antyder, at nyre-på-en-chip kan være bedre end eksisterende metoder til at forudsige, om et nyt lægemiddel vil forårsage nyreskade hos mennesker.
Disse enheder gør et bedre job med at teste, hvordan molekyler påvirker levende menneskelige celler. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nu hvor vi har haft disse lovende resultater, begynder videnskabelige teams over hele landet at forbinde forskellige organer sammen for at gentage et mere komplekst, flerorganigt system, for at give større indsigt i, hvordan stoffer påvirker mennesker. For eksempel kunne vi forbinde en lever-på-en-chip til en nyre-på-en-chip for at lære, hvordan et planteekstrakt, der blev brugt i nogle urtemediciner, kaldet aristolochic acid, beskadiger nyreceller. Denne chip-til-chip-undersøgelse forstærker behovet for sammenkoblede organer-på-en-chip for at gentage den komplekse mekanik i den menneskelige krop.
I det kommende år vil vores nyre-på-en-chip-projekt være et af flere sendt til Den Internationale Rumstation, hvor lav tyngdekraft fremskynder ændringer i celler, som nogle gange forårsager sundhedsmæssige problemer for astronauter. Rumstationen kunne være det perfekte sted at finde ud af mere om nyresygdomme i uger snarere end år eller årtier.
Organ-on-chips kan også bruges til at opdage nye lægemiddelmål. Vores team evaluerer nyre-på-en-chip som et værktøj til at personalisere lægemiddelselektion og dosering hos mennesker med nyrekræft, polycystisk nyresygdom og kronisk nyresygdom. Andre organer-på-chips laboratorier rundt om i landet undersøger sygdomme i immunsystemet, hjerne, lunger, hjerte og blodkar. Ved at arbejde sammen udvikler snesevis af forskerteam denne nye teknologi til at revolutionere opdagelse af medikamenter, hvilket fører til udvikling af bedre og sikrere medicin for alle.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Catherine Yeung, forskningsassistent i pharmacy, University of Washington
Edward Kelly, lektor i farmaceutik, University of Washington
Jonathan Himmelfarb, direktør for Kidney Research Institute og professor i medicin, University of Washington
