Het kost vele jaren en miljarden dollars om een nieuw geneesmiddel van een idee in het chemielab op de markt te brengen. Elk jaar worden slechts enkele tientallen nieuwe medicijnen goedgekeurd voor gebruik in de Verenigde Staten.
Menselijke "organs-on-chips" leiden een revolutie in het testen van de veiligheid van geneesmiddelen. Deze apparaten gebruiken menselijke cellen om de structuur en functie van menselijke organen en weefsels te modelleren. Door de potentiële effecten van medicijnen op verschillende organen sneller te testen dan traditionele methoden, kunnen orgels-on-chips de behoefte aan dierstudies verminderen en beter voorspellen welke nieuwe medicijnen de menselijke ziekte effectief zullen behandelen.
Als onderdeel van een interdisciplinair onderzoeksteam werken we aan een nier-op-een-chip om ons begrip te verbeteren van hoe nierziekten beginnen en welke medicijnen ze veilig kunnen behandelen.
**********
Historisch gezien worden laboratoriumtests voor nieuwe medicijnen uitgevoerd in cellen die in schaaltjes of kolven worden gekweekt. Als een medicijn de eerste screeningstests in vitro doorstaat, testen onderzoekers het vervolgens in vivo bij levende dieren om de effecten van een nieuw medicijn op een heel systeem te bepalen in plaats van slechts één celtype per keer. Uiteindelijk zullen onderzoekers na vele jaren van laboratoriumonderzoek een veelbelovend nieuw medicijn bij mensen testen om te zien of het veilig en effectief is.
Het probleem is dat 9 van de 10 van deze medicijnen nooit uit kleine menselijke tests bij de patiënt komen, omdat ze ineffectief of toxisch blijken te zijn, zelfs als ze veelbelovende resultaten in vroege testen lieten zien.
Organen-op-chips hebben het potentieel om dat systeem volledig te transformeren. Variërend van de grootte van een vingernagel tot die van een creditcard, zijn ze samengesteld uit vloeistofkanalen en kleine kamers die monsters van menselijke cellen bevatten. Organen-op-chips in ontwikkeling in laboratoria in het hele land omvatten nier-, long-, lever-, darm-, huid-, hersenen-, hart-, bot- en voortplantingssystemen.
In een orgaan-op-een-chip voorziet stromende vloeistof de cellen van zuurstof en voedingsstoffen, vergelijkbaar met de manier waarop bloed cellen in het menselijk lichaam ondersteunt. Het is deze constante stroom die deze apparaten speciaal maakt. Cellen gekweekt in organen-op-chips-apparaten werken meer als cellen in een menselijk orgaan dan cellen gekweekt in platte schalen zonder stroom.
Vloeistof circuleert door een nier-op-een-chip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nieren zijn ongelooflijk belangrijk voor de algehele gezondheid van de mens. De twee vuistgrote nieren verwijderen medicijnen en ongewenste verbindingen uit het lichaam en spelen een cruciale rol bij het handhaven van een goede zout- en waterbalans, bloeddruk en vitamine D en botgezondheid. Genetische aandoeningen en zelfs vaak toegediende medicijnen kunnen in sommige omstandigheden de nieren beschadigen.
In de VS heeft 15 procent van de volwassenen nierziekten. Maar de meesten weten het niet eens, omdat nieraandoeningen vaak geen symptomen vertonen totdat de aandoening erg geavanceerd is. Er is een dringende behoefte om te begrijpen hoe nierziekte begint en om nieuwe veilige en effectieve behandelingen te ontwikkelen.
Hier aan de Universiteit van Washington bestaat ons nier-op-een-chip onderzoeksteam uit wetenschappers uit veel verschillende disciplines, waaronder farmacie, farmaceutische wetenschappen, nefrologie (niergeneeskunde), toxicologie, biochemie en bio-engineering.
In samenwerking met Nortis, Inc., een lokaal biotechnologiebedrijf, heeft ons team een klein apparaat gemaakt - ter grootte van een visitekaartje - met maximaal drie kleine buisjes, elk een duizendste van een druppel water, met 5.000 mensen niercellen. Wanneer kleine hoeveelheden vloeistof door de buizen worden gepompt, worden de niercellen blootgesteld aan belangrijke signalen die de cellen in de chip helpen zich te gedragen alsof ze zich in een levende nier bevinden.
We hebben ontdekt dat de niercellen signalen - biomarkers genoemd - van letsel afgeven wanneer ze worden blootgesteld aan bekende niertoxines. Ons onderzoek toonde aan dat cellen op de chip markers van letsel lieten zien die vaak worden gezien in de urine van mensen met nierschade. Testen met de oudere methode, waarbij cellen op platen werden gebruikt, vertoonde bij dezelfde behandeling geen schade. Dit suggereert dat de nier-op-een-chip mogelijk beter is dan bestaande methoden om te voorspellen of een nieuw medicijn nierbeschadiging bij mensen zal veroorzaken.
Deze apparaten testen beter hoe moleculen levende menselijke cellen beïnvloeden. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nu we deze veelbelovende resultaten hebben behaald, beginnen wetenschappelijke teams in het hele land verschillende organen met elkaar te verbinden om een complexer systeem met meerdere organen te repliceren, om meer inzicht te krijgen in hoe medicijnen mensen beïnvloeden. We konden bijvoorbeeld een lever-op-een-chip verbinden met een nier-op-een-chip om te leren hoe een plantenextract dat in sommige kruidengeneesmiddelen wordt gebruikt, genaamd aristolochinezuur, niercellen beschadigt. Dit chip-to-chip-onderzoek versterkt de behoefte aan onderling verbonden organen-op-een-chip om de complexe mechanica in het menselijk lichaam te repliceren.
Het komende jaar zal ons nier-op-een-chip-project een van de vele zijn die naar het internationale ruimtestation ISS worden gestuurd, waar lage zwaartekracht veranderingen in cellen versnelt en soms gezondheidsproblemen voor astronauten veroorzaakt. Het ruimtestation zou de perfecte plek kunnen zijn om meer te weten te komen over nierziekten in weken, in plaats van jaren of decennia.
Organen-op-chips kunnen ook worden gebruikt om nieuwe geneesmiddeldoelen te ontdekken. Ons team evalueert de nier-op-een-chip als een hulpmiddel om medicijnkeuze en dosering te personaliseren bij mensen met nierkanker, polycysteuze nierziekte en chronische nierziekte. Andere organs-on-chips-laboratoria in het hele land bestuderen ziekten van het immuunsysteem, hersenen, longen, hart en bloedvaten. Door samen te werken, ontwikkelen tientallen onderzoeksteams deze nieuwe technologie om een revolutie teweeg te brengen in de ontdekking van geneesmiddelen, wat leidt tot de ontwikkeling van betere en veiligere medicijnen voor iedereen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Catherine Yeung, onderzoeksassistent hoogleraar farmacie, Universiteit van Washington
Edward Kelly, universitair hoofddocent Farmaceutica, Universiteit van Washington
Jonathan Himmelfarb, directeur van het Kidney Research Institute en professor in de geneeskunde, Universiteit van Washington
