Niet veel uitvindingen zijn zo duur om te maken of zullen zo waarschijnlijk falen als nieuwe medicijnen.
Naar schatting duurt het ontwikkelen en testen van een nieuw farmaceutisch medicijn nu gemiddeld 10 jaar en kost het bijna $ 1, 4 miljard. Ongeveer 85 procent komt nooit voorbij vroege klinische proeven, en van degenen die dat doen, is slechts de helft daadwerkelijk goedgekeurd door de FDA om op de markt te gaan. Dat is een van de redenen waarom medicijnen zoveel kosten.
Nu het goede nieuws. Wetenschappers die zich richten op het verbeteren van de kansen op succes en het versnellen van het proces terwijl ze medicijnen veilig houden, hebben een veelbelovende innovatie ontwikkeld: 'orgels on a chip'. Ze zijn ongeveer hoe ze klinken: kleine, functionerende versies van menselijke organen die groeien op een apparaat dat ongeveer zo groot is als een computergeheugenstick.
De laatste sprong voorwaarts komt van een team van biomedische ingenieurs aan de Universiteit van Toronto. Eerder deze week, in een artikel in het tijdschrift Nature Materials, legden deze wetenschappers uit hoe ze in staat zijn geweest om zowel hart- als leverweefsels te laten groeien op een klein, driedimensionaal schavot, honingraat met haar-dunne kunstmatige bloedvaten, en dan let op de organen functioneren zoals ze zouden in het menselijk lichaam.
Ze noemen hun apparaat een AngioChip, en volgens het hoofd van het team, Milica Radisic, gaat zijn potentieel verder dan een revolutie in het drugstestproces. Ze stelt zich een dag voor waarop het in een menselijk lichaam kan worden geïmplanteerd om zieke of beschadigde organen te repareren.
"Het is echt multifunctioneel en lost veel problemen op in de tissue engineering-ruimte, " zei Radisic, een professor aan het Institute of Biomaterials & Biomedical Engineering van de universiteit, in een persbericht. "Het is echt de volgende generatie."
Mini-orgels bouwen
Onderzoekers zijn al in staat om orgaanweefsel in laboratoria te laten groeien, maar het bevindt zich over het algemeen op een vlakke plaat en resulteert in een tweedimensionaal model dat verschilt van wat er daadwerkelijk in ons gebeurt. Dat beperkt hoeveel onderzoekers kunnen leren over de effectiviteit en het risico van het gebruik van een nieuw medicijn om een bepaald orgaan te behandelen.
Maar technologie zoals de AngioChip biedt een meer realistische, zij het kleine, versie van menselijke organen en dat stelt Radisic onderzoekers in staat om vroeg te identificeren welke medicijnen het verdienen om door te gaan naar klinische proeven. Het kan ook de noodzaak om ze op dieren te testen aanzienlijk verminderen.
Het bouwen van het apparaat was geen kleine uitdaging. Afgestudeerde student Boyang Zhang moest eerst een techniek genaamd 3D-stempelen gebruiken om extreem dunne lagen van een helder, flexibel polymeer te maken. Elke laag bevatte een patroon van kanalen niet breder dan een mensenhaar. Deze zouden dienen als de bloedvaten van het orgel.
Hij stapelde de lagen vervolgens handmatig op en gebruikte UV-licht om een chemische reactie te veroorzaken die ze samenvoegde. Dat creëerde de steiger waarrond het orgel zou groeien. Om te zien of hun uitvinding echt zou werken, implanteerden de onderzoekers het bij een rat. Ze waren verrukt om te zien dat bloed door de nauwe kanalen van het apparaat stroomde zonder te stollen.
Ze baden vervolgens een AngioChip in een vloeistof gevuld met levende menselijke hartcellen. Al snel begonnen die cellen binnen en buiten de kunstmatige bloedvaten te groeien, net zoals in een menselijk lichaam. Terwijl de cellen de volgende maand bleven groeien, begon het flexibele apparaat te werken als een echt orgaan, uiteindelijk samentrekkend en expanderend in een gestaag ritme, net als een hartslag.
"Wat de AngioChip uniek maakt, is dat we een vasculair systeem in het weefsel hebben gebouwd", legt Zhang uit. "Dit netwerk van vaten zal ons in de toekomst helpen om meerdere organen met elkaar te verbinden, net zoals hoe onze organen met elkaar zijn verbonden in ons bloedsysteem."
Transplantaties vervangen?De ingenieurs creëerden op dezelfde manier een lever op een chip. Na verloop van tijd begon het zich ook te gedragen als zijn menselijke tegenhanger en produceerde ureum, de belangrijkste stof in urine, en ook metaboliserende medicijnen. Uiteindelijk zullen de wetenschappers chips van verschillende organen kunnen verbinden om niet alleen te zien hoe een medicijn elk orgaan zou beïnvloeden, maar ook de impact op beide organen tegelijkertijd.
Of, zoals Radisic heeft gesuggereerd, een tumor en hartcellen kunnen aan elkaar worden gekoppeld om te zien welke medicijnen de tumor kunnen vernietigen zonder het hart te beschadigen.
"De kleinste vaten in dit weefsel waren slechts zo breed als een mensenhaar, maar het bloed kon er nog steeds gemakkelijk doorheen stromen", zei Radisic. "Dit betekent dat we menselijke tumoren kunnen bouwen bij dieren met behulp van dit platform om te helpen ontdek nieuwe, effectievere geneesmiddelen tegen kanker. "
Het is duidelijk dat in het laboratorium gekweekte organen het proces van het testen van medicijnen veel meer precisie en snelheid kunnen brengen. Maar zodra de AngioChip bij mensen kan worden geïmplanteerd, merkt Radisic op, kan het de behoefte aan transplantatie van organen van een andere persoon vervangen. In plaats daarvan kunnen organen worden gekweekt met cellen die uit de gastheer zijn genomen, wat het risico op afstoting aanzienlijk kan verlagen.
Gemiddeld sterven er elke dag 21 mensen omdat er geen geschikte organen beschikbaar zijn voor transplantaties.
De volgende stap voor het team van de Universiteit van Toronto is om samen met een fabrikant een proces te ontwikkelen voor het tegelijkertijd bouwen van meerdere AngioChips. Op dit moment zijn ze met de hand gebouwd, een voor een.
