Σε ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην ανάπτυξη φαρμάκων, ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) ανέπτυξαν ένα εργαλείο για την κατασκευή ενός συστήματος που είναι γνωστό ως heart-on-a-chip (HoC). Αυτή η τεχνολογία επιδιώκει να αντιμετωπίσει τους περιορισμούς της ανάπτυξης συμβατικών καρδιαγγειακών φαρμάκων, η οποία βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στις δοκιμές σε ζώα. Με την αναπαραγωγή μοντέλων που μοιάζουν με ανθρώπους για τη μελέτη των καρδιαγγειακών παθήσεων, το σύστημα HoC υπόσχεται να βοηθήσει στην αντικατάσταση των δοκιμών σε ζώα, να συντομεύσει τα χρονοδιαγράμματα ανάπτυξης φαρμάκων και να μειώσει το κόστος. Τα αποτελέσματα της ομάδας NIST δημοσιεύτηκαν στο Lab on a Chip.
Το HoC είναι μια συσκευή που μιμείται τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις των κυττάρων μέσα στην καρδιά σε ένα μικρό τσιπ και αποτελεί μέρος της σουίτας μεγαλύτερου οργάνου σε τσιπ (OoC). Ο πραγματικός σχεδιασμός του heart-on-a-chip ποικίλλει, αλλά είναι συνήθως ένα μικρό, διαφανές ή ημιδιαφανές τσιπ που αποτελείται από ένα δίκτυο μικροκαναλιών τυπωμένων σε ένα στρώμα πολυμερούς. Αυτά τα μικροκανάλια είναι περίπλοκα σχεδιασμένα για να μιμούνται τα αιμοφόρα αγγεία που βρίσκονται στην ανθρώπινη καρδιά. Οι ερευνητές τοποθετούν τα ανθρώπινα καρδιακά κύτταρα μέσα σε αυτά τα μικροκανάλια για να χειριστούν και να παρατηρήσουν τη συμπεριφορά τους. Οι ερευνητές μπορούν να τα διεγείρουν ανεξάρτητα ή να παρατηρήσουν τη συμπεριφορά τους κάτω από διαφορετικές συνθήκες, όπως η εισαγωγή ενός φαρμάκου.
«Το heart-on-a-chip έχει σχεδιαστεί για να μιμείται τις συνθήκες μιας πραγματικής καρδιάς», δήλωσε ο ερευνητής του NIST Darwin Reyes, ο οποίος ηγήθηκε της ανάπτυξης αυτού του συστήματος HoC. «Μπορούμε να χειριστούμε το περιβάλλον για να μετατρέψουμε τα βλαστοκύτταρα σε καρδιακά κύτταρα και να τα κάνουμε να συστέλλονται και να χαλαρώνουν, όπως κάνουν σε ένα σώμα για να παράγουν καρδιακό παλμό». Η «καρδιά» του συστήματος organ-on-a-chip βρίσκεται σε κάτι που ονομάζεται microfluidics, το οποίο είναι ουσιαστικά ένα μικροσκοπικό υδραυλικό σύστημα στο οποίο οι ερευνητές μπορούν να ελέγχουν και να χειρίζονται με ακρίβεια μικροσκοπικές ποσότητες υγρών. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν μικρορευστήματα για να δημιουργήσουν προηγμένα μοντέλα οργάνων και ιστών σε μικρά τσιπ στο εργαστήριο.
«Το ίδιο το τσιπ μπορεί να χρησιμοποιηθεί με πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων», είπε ο Reyes. «Σε αυτό το έργο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούμε καρδιακά κύτταρα, αλλά μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια προσαρμοσμένη έκδοση του συστήματος με άλλα κύτταρα για να παρακολουθείτε τη συμπεριφορά τους οπτικά και ηλεκτρονικά». Η έννοια του “όργανο σε ένα τσιπ” εκτείνεται πέρα από την καρδιά. Οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν τσιπ που μιμούνται τις συνθήκες διαφόρων οργάνων, τα οποία μπορούν ακόμη και να διασυνδεθούν για να σχηματίσουν ένα πολυοργανικό σύστημα. Για παράδειγμα, θα μπορούσατε να έχετε μια καρδιά σε ένα τσιπ συνδεδεμένο με ένα συκώτι σε ένα τσιπ για να προσομοιώσετε πώς αλληλεπιδρούν η καρδιά και το ήπαρ ως απόκριση σε ορισμένα φάρμακα ή ιατρικές καταστάσεις. Αυτή η προσέγγιση παρέχει μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση του πώς λειτουργούν τα διάφορα όργανα μαζί στο ανθρώπινο σώμα.
Επανεξέταση των δοκιμών σε ζώα
Στην παραδοσιακή ανάπτυξη φαρμάκων, τα ζώα χρησιμοποιούνται συχνά ως υποκείμενα δοκιμής. Ωστόσο, η φυσιολογία των ζώων δεν ταιριάζει απόλυτα με την ανθρώπινη φυσιολογία. Ένα φάρμακο μπορεί να περάσει μια δοκιμή σε ένα ζώο, αλλά μπορεί στη συνέχεια να αποτύχει σε ανθρώπινη δοκιμή. Αυτό όχι μόνο καθυστερεί τη διαδικασία δοκιμής φαρμάκων, αλλά επίσης θέτει τα άτομα που δοκιμάζονται σε ανθρώπους σε κίνδυνο ανεπιθύμητων ενεργειών από το φάρμακο. Επιπλέον, υπάρχει συνεχής συζήτηση σχετικά με τα ηθικά ζητήματα των δοκιμών σε ζώα. «Ο απώτερος στόχος είναι να μπορέσουμε, αν είναι δυνατόν, να παραλείψουμε εντελώς τις δοκιμές σε ζώα», είπε ο Ρέγιες. «Αυτό θα συντόμευε επίσης τον χρόνο που απαιτείται για τη δοκιμή φαρμάκων, ελπίζοντας ότι τα φάρμακα θα κοστίζουν λιγότερο».
Το 2022, ο Πρόεδρος Τζο Μπάιντεν υπέγραψε σε νόμο τον νόμο 2.0 για τον εκσυγχρονισμό του FDA. Το νομοσχέδιο αναθεωρεί ουσιαστικά τον Ομοσπονδιακό Νόμο για τα Τρόφιμα, Φάρμακα και Καλλυντικά του 1938, ο οποίος επέβαλλε δοκιμές σε ζώα για κάθε νέο πρωτόκολλο ανάπτυξης φαρμάκων. Ενώ τον περασμένο αιώνα, η εντολή αποσκοπούσε στη διασφάλιση ορισμένων προτύπων ποιότητας και ασφάλειας για φάρμακα και ιατροτεχνολογικά προϊόντα, οι πρόσφατες εξελίξεις στην επιστήμη έχουν αρχίσει να προσφέρουν ολοένα και πιο βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για τις δοκιμές σε ζώα, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων οργάνου σε τσιπ.
Παγκόσμια συνεργασία για την τυποποίηση της τεχνολογίας organ-on-a-chip
Η ανάπτυξη αυτής της νέας τεχνολογίας δεν γίνεται στο κενό. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο εργάζονται σε παρόμοιες μικρορευστικές συσκευές για να εγκαινιάσουν μια νέα εποχή ανάπτυξης φαρμάκων. Ωστόσο, για να γίνει αυτό πραγματικότητα, υπάρχει ανάγκη για τυποποίηση — καθιέρωση συνεπών κατευθυντήριων γραμμών και κανόνων για αυτές τις τεχνολογίες. Αυτό όχι μόνο βοηθά στην απόκτηση ρυθμιστικών εγκρίσεων αλλά και εξασφαλίζει καλύτερη αποδοχή στις επιστημονικές, βιομηχανικές και ιατρικές κοινότητες. Το NIST συμμετέχει ενεργά, μαζί με επιστημονικούς οργανισμούς σε όλο τον κόσμο, στην ανάπτυξη προτύπων για αυτήν την τεχνολογία.