Za pridobitev novega farmacevtskega izdelka od ideje v kemijskem laboratoriju je potrebnih več let in milijard dolarjev. Vsako leto je v ZDA odobreno za uporabo več deset novih zdravil.
Človeški "organi na čipih" vodijo revolucijo pri testiranju varnosti drog. Te naprave uporabljajo človeške celice za modeliranje strukture in delovanja človeških organov in tkiv. S testiranjem potencialnih učinkov zdravil na različne organe hitreje od tradicionalnih metod lahko organi na čipih zmanjšajo potrebo po študijah na živalih in bolje predvidijo, katera nova zdravila bodo učinkovito zdravila človeško bolezen.
Kot del interdisciplinarne raziskovalne skupine si prizadevamo, da bi odkrili ledvico, da bi izboljšali svoje razumevanje, kako se začnejo ledvične bolezni in katera zdravila jih lahko varno zdravimo.
**********
Zgodovinsko gledano laboratorijsko testiranje novih zdravil izvajamo v celicah, gojenih v posodah ali bučkah. Če zdravilo opravi začetne presejalne teste in vitro, ga raziskovalci naslednjič preskušajo in vivo na živih živalih, da ugotovijo učinke novega zdravila na celoten sistem namesto samo na eno vrsto celic hkrati. Nazadnje bodo raziskovalci po dolgih letih laboratorijskih preiskav testirali obetavno novo zdravilo na ljudeh in videli, ali je varno in učinkovito.
Težava je v tem, da 9 od 10 teh zdravil nikoli ne opravi z manjšimi preskusi na ljudeh za pacienta, ker se izkažejo za neučinkovite ali strupene, tudi če so pri zgodnjem testiranju pokazali obetavne rezultate.
Organi na čipih lahko v celoti transformirajo sistem. Od velikosti nohta do velikosti kreditne kartice so sestavljene iz tekočih kanalov in drobnih komor, ki vsebujejo vzorce človeških celic. Organski čipi v razvoju v laboratorijih po državi vključujejo ledvice, pljuča, jetra, črevo, kožo, možgane, srce, kosti in reproduktivni sistem.
Tekoča tekočina v organu na čipu oskrbuje celice s kisikom in hranili, podobno kot kri vzdržuje celice v človeškem telesu. Zaradi tega stalnega pretoka so te naprave posebne. Celice, ki rastejo v napravah na čipih, delujejo bolj kot celice v človeškem organu kot celice, gojene v ploščatih posodah brez pretoka.
Tekočina kroži skozi ledvico na čipu. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Ledvice so neverjetno pomembne za splošno zdravje ljudi. Dve ledvici velikosti pest odstranjujeta droge in neželene spojine iz telesa in igrata ključno vlogo pri vzdrževanju ustreznega ravnovesja soli in vode, krvnega tlaka in vitamina D ter zdravju kosti. Genetska stanja in celo pogosto uporabljena zdravila lahko v nekaterih okoliščinah poškodujejo ledvice.
V ZDA ima 15 odstotkov odraslih bolezni ledvic. Toda večina tega sploh ne ve, saj ledvične bolezni pogosto ne kažejo simptomov, dokler stanje ni zelo napredovalo. Nujno je treba razumeti, kako se začne bolezen ledvic, in razviti nove varne in učinkovite načine zdravljenja.
Tu na Univerzi v Washingtonu je naša raziskovalna skupina o ledvicah na čipu sestavljena iz znanstvenikov iz mnogih različnih strok, vključno s farmacijo, farmacevtskimi znanostmi, nefrologijo (ledvično zdravilo), toksikologijo, biokemijo in bioinženiringom.
V sodelovanju z Nortis, Inc., lokalnim podjetjem za biotehnologijo, je naša ekipa ustvarila majhno napravo - velikost vizitke - z do tremi drobnimi cevkami, od katerih je vsaka ena tisočina kapljice vode, ki vsebuje 5000 ljudi ledvične celice. Ko drobne količine tekočine črpajo skozi cevi, so ledvične celice izpostavljene pomembnim signalom, ki pomagajo celicam v čipu obnašati, kot da bi bile v živi ledvici.
Ugotovili smo, da ledvične celice sproščajo signale - imenovane biomarkerji - o poškodbah, kadar so izpostavljene znanim ledvičnim toksinom. Naša raziskava je pokazala, da celice na čipu sproščajo označevalce poškodbe, ki jih običajno vidimo v urinu ljudi s poškodbo ledvic. Testiranje s starejšo metodo z uporabo celic na ploščah ni pokazalo škode z istim zdravljenjem. To kaže, da je ledvica na čipu morda boljša od obstoječih metod, ko napovedujejo, ali bo novo zdravilo pri ljudeh povzročilo okvaro ledvic.
Te naprave lažje preizkušajo, kako molekule vplivajo na žive človeške celice. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Zdaj, ko smo imeli te obetavne rezultate, znanstvene ekipe po vsej državi začenjajo povezovati različne organe skupaj, da bi kopirali bolj zapleten sistem z več organi, da bi dobili boljši vpogled v to, kako droge vplivajo na ljudi. Na primer, uspeli smo povezati jetra na čipu z ledvico na čipu in izvedeli, kako rastlinski ekstrakt, ki se uporablja v nekaterih zeliščnih zdravilih, imenovanih aristološka kislina, poškoduje ledvične celice. Ta preiskava čipov-čipov krepi potrebo po medsebojno povezanih organih na čipu, da bi ponovili zapleteno mehaniko v človeškem telesu.
V prihodnjem letu bo naš projekt ledvice na čipu eden izmed številnih poslanih na Mednarodno vesoljsko postajo, kjer nizka gravitacija pospeši spremembe v celicah, kar včasih povzroči zdravstvene težave astronavtom. Vesoljska postaja bi lahko bila idealno mesto, če bi več o boleznih ledvic izvedeli v tednih, ne pa v letih ali desetletjih.
Organi na čipih se lahko uporabljajo tudi za odkrivanje novih ciljev na področju drog. Naša ekipa ocenjuje delovanje ledvic na čipu kot orodje za prilagoditev izbire in odmerjanja zdravil pri ljudeh z rakom ledvic, policističnimi ledvicami in kronično ledvično boleznijo. Drugi laboratoriji s čipi po državi raziskujejo bolezni imunskega sistema, možganov, pljuč, srca in ožilja. Na desetine raziskovalnih skupin razvija to novo tehnologijo za revolucijo odkrivanja drog, kar vodi k razvoju boljših in varnejših zdravil za vse.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Catherine Yeung, docentka za farmacijo Univerze v Washingtonu
Edward Kelly, izredni profesor za farmacijo, Univerza v Washingtonu
Jonathan Himmelfarb, direktor Inštituta za raziskave ledvic in profesor medicine, Univerza v Washingtonu
