Övergripande design- och implementeringsstrategi för det 3-vävnadsrepresentativa organ-on-a-chip-systemet med användning av en mängd olika biotillverkningsmetoder. (a, b) Illustration och fotografi av det modulära flervävnadsorgan-på-ett-chip-hårdvarusystemet inrättat för underhåll av tre vävnadsmodeller. Individuella mikrofluidiska mikroreaktorenheter rymmer varje organoid eller vävnadsmodell, och är anslutna via en central vätskeledningsbräda, möjliggör enkel "plug-and-play"-initiering av systemförberedelser. (c, d) Allmän översikt över hur varje vävnadstyp är förberedd för systemet. (c) Lever- och hjärtmoduler skapas genom att bioprinta sfäriska organoider i skräddarsydda biobläck, vilket resulterar i 3D-hydrogelkonstruktioner som placeras i mikroreaktoranordningarna. (d) Lungmoduler bildas genom att skapa lager av celler över porösa membran i mikrofluidiska enheter. Introduktion av TEER (trans-endotel [eller epitel] elektriska motståndssensorer möjliggör övervakning av vävnadsbarriärfunktionens integritet över tid. Kredit: Vetenskapliga rapporter (2017). DOI:10.1038/s41598-017-08879-x
Genom att använda samma expertis som de har använt för att bygga nya organ för patienter, forskare vid Wake Forest Institute for Regenerative Medicine och kollegor har konstruerat mikrohjärtan, lungor och lever som potentiellt kan användas för att testa nya läkemedel. Genom att kombinera mikroorganen i ett övervakat system, forskarna strävar efter att efterlikna hur människokroppen reagerar på mediciner.
Målet med insatsen, känd som en "kropp-på-ett-chip", " är att hjälpa till att minska den uppskattade prislappen på 2 miljarder dollar och 90 procent felfrekvens som läkemedelsföretag möter när de utvecklar nya mediciner. Läkemedelsföreningar screenas för närvarande i labbet med mänskliga celler och testas sedan på djur. Men ingen av dessa metoder replikerar på ett adekvat sätt hur droger påverkar mänskliga organ.
"Det finns ett akut behov av förbättrade system för att exakt förutsäga effekterna av droger, kemikalier och biologiska medel på människokroppen, sa Anthony Atala, M.D., direktör för institutet och senior forskare på multi-institution organ på ett chip-projekt, finansierat av Defense Threat Reduction Agency.
I Vetenskapliga rapporter , publicerad av Natur , forskarteamet rapporterar framgång i konstruktion av mikrostora 3D-organ, kända som organoider, och koppla ihop dem på en enda plattform för att övervaka deras funktion. Medan andra lag har kombinerat celler från flera organ i ett liknande system, detta är den första rapporterade framgången med 3D-organstrukturer, känd för att fungera bättre och för att mer exakt modellera människokroppen.
Organstrukturerna gjordes från celltyper som finns i inhemsk mänsklig vävnad med hjälp av 3D-utskrift och andra metoder. Hjärta och lever valdes ut för systemet eftersom toxicitet för dessa organ är en viktig orsak till misslyckande med läkemedelskandidater och återkallande av läkemedel. Lungorna är ingångspunkten för giftiga partiklar och även för aerosolläkemedel, såsom astmainhalatorer.
Organoiderna placeras i en förseglad, övervakat system - komplett med kamera i realtid. En näringsfylld vätska som cirkulerar genom systemet håller organoiderna vid liv och används för att introducera potentiella läkemedelsterapier i systemet.
Forskarna testade först organoiderna för att säkerställa deras likhet med mänskliga organ. Till exempel, mikrolevern fick en hög dos av ett vanligt smärtstillande medel – och sedan ett annat läkemedel för att motverka de toxiska effekterna.
"Data visar ett signifikant toxiskt svar på läkemedlet samt lindring av behandlingen, återspeglar noggrant svaren hos mänskliga patienter, sa Aleks Skardal, Ph.D., biträdande professor vid Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, som representerade multiutredarteamet som huvudförfattare till tidningen.
Men viktigare än hur ett enskilt organ reagerar på droger är hur kroppen som helhet svarar. I många fall under testning av nya läkemedelskandidater - och ibland även efter att läkemedlen har godkänts för användning - har läkemedel oväntade toxiska effekter i vävnader som inte är direkt riktade till själva läkemedlen.
"Om du bara screenar ett läkemedel i lever, till exempel, du kommer aldrig att se en potentiell biverkning för andra organ, ", sa Skardal. "Genom att använda ett organ-på-chip-system med flera vävnader, du kan förhoppningsvis identifiera toxiska biverkningar tidigt i läkemedelsutvecklingsprocessen, som kan rädda liv såväl som miljontals dollar."
Forskarna genomförde flera scenarier för att säkerställa att kroppen-på-en-chip-systemet efterliknar ett multiorgansvar. Till exempel, de introducerade ett läkemedel som används för att behandla cancer i systemet. Känd för att orsaka ärrbildning i lungorna, drogen påverkade också oväntat systemets hjärta. Dock, ett kontrollexperiment med endast hjärtat visade inget svar.
Forskarna teoretiserar att läkemedlet orsakade att inflammatoriska proteiner från lungan cirkulerades genom hela systemet. Som ett resultat, hjärtat ökade slagen och slutade senare helt, indikerar en giftig biverkning.
"Detta var helt oväntat, men det är den typ av biverkningar som kan upptäckas med detta system i läkemedelsutvecklingspipelinen, sa Skardal.
Forskare arbetar för att öka hastigheten på systemet för storskalig screening, och även för att lägga till ytterligare organ.
"Så småningom förväntar vi oss att visa användbarheten av ett kropp-på-ett-chip-system som innehåller många av de viktigaste funktionella organen i människokroppen, ", sa Atala. "Detta system har potential för avancerad läkemedelsscreening och även att användas i personlig medicin - för att hjälpa till att förutsäga en enskild patients svar på behandlingen."
Flera patentansökningar som omfattar tekniken som beskrivs i manuskriptet har lämnats in.
