Det tar mange år og milliarder dollar å få et nytt legemiddel fra en idé i kjemilaboratoriet til markedet. Hvert år godkjennes bare noen dusin nye medisiner for bruk i USA.
Menneskelige "organer-på-brikker" leder en revolusjon innen legemiddelsikkerhetstesting. Disse enhetene bruker menneskelige celler for å modellere strukturen og funksjonen til menneskelige organer og vev. Ved å teste potensielle effekter av medikamenter på forskjellige organer raskere enn tradisjonelle metoder, kan organer på flis redusere behovet for dyreforsøk og bedre forutsi hvilke nye medisiner som effektivt vil behandle menneskelig sykdom.
Som en del av et tverrfaglig forskerteam jobber vi med en nyre-mot-en-brikke for å forbedre vår forståelse av hvordan nyresykdommer begynner og hvilke medisiner som trygt kan behandle dem.
**********
Historisk sett blir laboratorietesting for nye medisiner utført i celler dyrket i retter eller kolber. Hvis et medikament gjennomfører de første screeningstestene in vitro, tester forskerne det in vivo i levende dyr for å bestemme effekten av et nytt medikament på et helt system i stedet for bare en celletype om gangen. Til slutt, etter mange års laboratorieundersøkelse, vil forskere teste et lovende nytt medikament hos mennesker for å se om det er trygt og effektivt.
Problemet er at 9 av 10 av disse medisinene gjør det aldri fra småskala menneskelige tester til pasienten fordi de viser seg å være ineffektive eller giftige, selv om de viste lovende resultater i tidlig testing.
Organ-on-chips har potensial til å fullstendig transformere det systemet. De strekker seg fra en negl til størrelsen på et kredittkort, og består av væskekanaler og bittesmå kammer som inneholder menneskelige celleprøver. Organer-på-chips i utvikling i laboratorier rundt om i landet inkluderer nyre, lunge, lever, tarm, hud, hjerne, hjerte, bein og reproduktive systemer.
I en organ-på-en-brikke forsyner flytende væske cellene oksygen og næringsstoffer, på samme måte som blodet opprettholder celler i menneskekroppen. Det er denne konstante flyten som gjør disse enhetene spesielle. Celler dyrket i apparater med organ-på-chips fungerer mer som celler i et menneskelig organ enn celler som dyrkes i flate retter uten strøm.
Væske sirkulerer gjennom en nyre-på-en-brikke. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nyrer er utrolig viktig for den generelle menneskers helse. De to nyrestørrede nyrene fjerner medisiner og uønskede forbindelser fra kroppen og spiller en kritisk rolle i å opprettholde riktig salt og vannbalanse, blodtrykk og vitamin D og beinhelse. Genetiske forhold og til og med ofte administrerte medisiner kan i noen tilfeller skade nyrene.
I USA har 15 prosent av voksne nyresykdommer. Men de fleste vet ikke engang det, fordi nyresykdommer ofte ikke viser noen symptomer før tilstanden er veldig avansert. Det er et presserende behov for å forstå hvordan nyresykdom begynner, og å utvikle nye trygge og effektive behandlinger.
Her ved University of Washington er vårt forskningsteam for nyre-på-en-brikke sammensatt av forskere fra mange forskjellige fagområder, inkludert farmasi, farmasøytiske vitenskaper, nefrologi (nyremedisin), toksikologi, biokjemi og bioingeniør.
I samarbeid med Nortis, Inc., et lokalt bioteknologiselskap, har teamet vårt laget en liten enhet - på størrelse med et visittkort - med opptil tre bittesmå rør, hver en tusendels størrelse på en dråpe vann, som inneholder 5000 mennesker nyreceller. Når små mengder væske pumpes gjennom rørene, blir nyrecellene utsatt for viktige signaler som hjelper cellene i brikken til å oppføre seg som om de var i en levende nyre.
Vi har funnet ut at nyrecellene frigjør signaler - kalt biomarkører - om skade når de blir utsatt for kjente nyretoksiner. Forskningen vår viste at celler på brikken frigjorde markører for skade som ofte er sett i urinen til mennesker med nyreskade. Testing med den eldre metoden, ved bruk av celler på plater, viste ingen skader med den samme behandlingen. Dette antyder at nyre-på-en-brikke kan være bedre enn eksisterende metoder for å forutsi om et nytt medikament vil forårsake nyreskade hos mennesker.
Disse enhetene gjør en bedre jobb med å teste hvordan molekyler påvirker levende menneskelige celler. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nå som vi har hatt disse lovende resultatene, begynner vitenskapelige team over hele landet å koble forskjellige organer sammen for å gjenskape et mer komplekst, flerorgansystem, for å gi større innsikt i hvordan medisiner påvirker mennesker. For eksempel klarte vi å koble en lever-på-en-brikke til en nyre-på-en-brikke for å lære hvordan et planteekstrakt brukt i noen urtemedisiner, kalt aristolochic acid, skader nyreceller. Denne chip-to-chip-undersøkelsen forsterker behovet for sammenkoblede organer-på-en-chip for å gjenskape den komplekse mekanikken i menneskekroppen.
Det kommende året vil vårt nyre-på-en-brikke-prosjekt være ett av flere som blir sendt til den internasjonale romstasjonen der lav tyngdekraft fremskynder endringer i celler, noen ganger forårsaker helseproblemer for astronauter. Romstasjonen kan være det perfekte stedet å finne ut mer om nyresykdommer i løpet av uker, snarere enn år eller tiår.
Organ-on-chips kan også brukes til å oppdage nye medikamentelle mål. Teamet vårt evaluerer nyre-på-en-brikke som et verktøy for å tilpasse valg av medikamenter og dosering hos personer med nyrekreft, polycystisk nyresykdom og kronisk nyresykdom. Andre laboratorier med organer-på-chips rundt om i landet studerer sykdommer i immunforsvaret, hjerne, lunger, hjerte og blodkar. Ved å samarbeide utvikler dusinvis av forskerteam denne nye teknologien for å revolusjonere medisinfunn, noe som fører til utvikling av bedre og tryggere medisiner for alle.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Catherine Yeung, forskningsassistent i farmasi, University of Washington
Edward Kelly, førsteamanuensis i farmasøytikk, University of Washington
Jonathan Himmelfarb, direktør for Kidney Research Institute og professor i medisin, University of Washington
