Tecnologia Científica

Chegou a próxima geração de órgão no chip
A plataforma corpo-sobre-chip humano estabelece as bases para melhores testes acelerados de drogas
Por Benjamin Boettner - 28/01/2020



O desenvolvimento de medicamentos é um processo árduo e dispendioso, e as taxas de falha em ensaios clínicos que testam novos medicamentos quanto à sua segurança e eficácia em humanos permanecem altas. De acordo com as estimativas atuais, apenas 13,8% de todos os medicamentos testados demonstram sucesso clínico final e obtêm aprovação da Food and Drug Administration (FDA). Também 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 pulmão “órgão-em-um-chip” (chip de órgão) humano que recapitula a fisiologia no nível de órgãos humanos fisiopatologia com alta fidelidade, relatada em Scienceem 2010. Os chips de órgãos são dispositivos de cultura microfluídica compostos por um polímero flexível claro do tamanho de um cartão de memória de computador, que contém dois canais ocos paralelos que são separados por uma membrana porosa. As células específicas de órgãos são cultivadas em um lado da membrana em um dos canais, e as células endoteliais vasculares recapitulam uma linha de vasos sanguíneos, enquanto cada canal é perfundido independentemente com meio específico do tipo de célula. 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 metabólicas específicas de órgãos.

Um exemplo em que os animais são necessários nos testes pré-clínicos é a caracterização da "farmacocinética" de uma droga (PK) que envolve a quantificação de sua absorção, distribuição, metabolismo e excreção (ADME), que juntos determinam os níveis de droga no sangue. Essas respostas envolvem a interação entre diferentes órgãos ligados por uma vasculatura contendo sangue corrente.

Como os fragmentos de órgãos contêm um canal vascular revestido de endotélio, Ingber propôs 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 sanguíneo 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 Avançada de Defesa (DARPA) solicitou pedidos de subsídios 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 vinculá-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 íntegra.

Conhecida por apresentar desafios impossíveis como esse, a DARPA entende que a maioria dos pesquisadores não cumprirá os objetivos estabelecidos, mas que conseqüências tecnológicas extraordinárias serão criadas ao longo do caminho. “Estávamos muito orgulhosos de obter um grande apoio financeiro da DARPA para enfrentar esse desafio, e agora estamos ainda mais orgulhosos por termos alcançado com êxito seu objetivo, o que não seria possível sem os talentos excepcionais, o espírito interdisciplinar e a equipe monumental. esforço no Instituto Wyss ”, disse Ingber, que é o 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 é professor da família 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 é ativada por um instrumento “Interrogator” projetado que pode cultivar até 10 chips de órgãos diferentes e transferir sequencialmente fluidos entre seus canais vasculares revestidos de endotélio imitar o fluxo sanguíneo humano normal entre os diferentes órgãos do nosso corpo. No segundo artigo, a equipe usa um método de escalonamento computacional para converter dados obtidos de experimentos com drogas envolvendo três tipos diferentes de cavacos de órgãos ligados fluidamente para suas respectivas dimensões de órgãos no corpo humano real. A abordagem é capaz de prever quantitativamente alterações nos níveis de medicamentos ao longo do tempo, bem como toxicidades específicas de órgãos, que foram previamente medidas em pacientes humanos.

“Ambos os estudos representam um tremendo esforço 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 ”, disse Rachelle Prantil-Baun , cientista sênior da equipe do Wyss Institute com experiência no setor farmacêutico que ajudou a orquestrar esse complexo esforço de vários investigadores com vários outros membros da equipe na plataforma Bioinspired Therapeutics and Diagnostics da Wyss.

O instrumento Interrogator permitiu à equipe cultivar, perfundir e vincular muitos tecidos humanos cultivados em um sistema de chip de múltiplos órgãos, além de adicionar e amostrar o meio de uma maneira totalmente programável, usando os recursos robóticos de transferência de líquidos do dispositivo, enquanto monitorava continuamente integridade do tecido com um microscópio integrado. “Neste estudo, vinculamos em série os canais vasculares de oito chips de órgãos diferentes, incluindo intestino, fígado, rim, coração, pulmão, pele, barreira hematoencefálica e cerebral, usando um substituto comum do sangue altamente otimizado, enquanto perfundíamos independentemente o indivíduo. canais revestidos por células específicas de órgãos. O instrumento manteve a viabilidade de todos os tecidos e suas funções específicas de órgãos por mais de três semanas e, principalmente,Richard Novak , co-primeiro autor de ambos os estudos. Novak é um engenheiro sênior 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 reservatório 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 periférica. Os pesquisadores acoplaram um chip intestinal humano a um chip hepático e renal e adicionaram nicotina ao canal do chip intestinal revestido por epitélio intestinal para simular a administração oral desse medicamento e sua primeira passagem pela parede intestinal e pelo sistema vascular. fígado onde é metabolizado e para o rim onde é excretado. O chiclete de nicotina é usado para ajudar na cessação do tabagismo; Contudo,

Aplicando a análise de espectrometria de massa, a equipe de Wys quantificou os níveis de nicotina no reservatório 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 biomimética recém-desenvolvida que os traduz das dimensões do órgão chips para suas dimensões 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 dinâmicas nos níveis sanguíneos 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 necessário 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 é professor assistente da Universidade de Tel Aviv, Israel.

Com uma segunda configuração de chip de múltiplos órgãos que compreende chips de fígado, rim e medula óssea com ligação fluídica, a equipe investigou os efeitos farmacológicos da cisplatina, um medicamento quimioterápico comumente usado em tratamentos contra o câncer, que é administrado por via intravenosa e exibe toxicidade indesejada no rim e medula óssea. "Nossa análise recapitula os efeitos farmacodinâmicos 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 época do estude. "Além disso, o in vitro- para- in vivo as capacidades de tradução do sistema produziram informações quantitativas sobre como a cisplatina é metabolizada e eliminada pelo fígado e pelos rins, o que o tornará adequado para previsões mais refinadas de absorção, distribuição, metabolismo, excreção e toxicidade de drogas. ”Herland é agora professor associado da KTH Royal Institute of Technology e Karolinska Institute em Estocolmo, Suécia.

“É isso que gostamos de fazer no Instituto Wyss: transformar a ficção científica em fato científico. E esperamos que nossa demonstração de que esse nível de biomimética seja possível usando a tecnologia de chips de órgãos desperte um interesse ainda maior da indústria farmacêutica, para que os testes em animais possam ser progressivamente reduzidos ao longo do tempo ”, disse Ingber.

 

.
.

Leia mais a seguir