Estrategia general de diseño e implementación para el sistema de órgano en un chip representativo de 3 tejidos utilizando una variedad de enfoques de biofabricación. (a, b) Ilustración y fotografía del sistema de hardware modular multi-tejido de órgano en un chip configurado para el mantenimiento de 3 modelos de tejido. Las unidades individuales de microrreactores de microfluidos albergan cada modelo de organoide o tejido, y están conectados a través de una placa central de enrutamiento de fluidos, lo que permite una inicialización sencilla de la preparación del sistema "plug-and-play". (C, d) Descripción general de cómo se prepara cada tipo de tejido para el sistema. (c) Los módulos hepáticos y cardíacos se crean mediante bioimpresión de organoides esféricos dentro de bioenlaces personalizados, dando como resultado construcciones de hidrogel 3D que se colocan en los dispositivos del microrreactor. (d) Los módulos pulmonares se forman creando capas de células sobre membranas porosas dentro de dispositivos microfluídicos. La introducción de TEER (sensores de resistencia eléctrica transendotelial [o epitelial] permite monitorear la integridad de la función de la barrera tisular a lo largo del tiempo. Crédito: Informes científicos (2017). DOI:10.1038 / s41598-017-08879-x
Usando la misma experiencia que han empleado para construir nuevos órganos para pacientes, Los científicos del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa y sus colegas han diseñado microcorazones, pulmones e hígados que potencialmente pueden usarse para probar nuevos medicamentos. Combinando los micro-órganos en un sistema monitoreado, los investigadores pretenden imitar cómo responde el cuerpo humano a los medicamentos.
El objetivo del esfuerzo, conocido como "cuerpo en un chip, "es ayudar a reducir el precio estimado de 2.000 millones de dólares y la tasa de fracaso del 90 por ciento que enfrentan las compañías farmacéuticas al desarrollar nuevos medicamentos. Los compuestos de medicamentos se examinan actualmente en el laboratorio utilizando células humanas y luego se prueban en animales. Pero ninguno de estos métodos replica adecuadamente cómo las drogas afectan los órganos humanos.
"Existe una necesidad urgente de sistemas mejorados para predecir con precisión los efectos de las drogas, agentes químicos y biológicos en el cuerpo humano, "dijo Anthony Atala, MARYLAND., director del instituto e investigador senior del organismo multiinstitucional sobre un proyecto de chip, financiado por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa.
En Informes científicos , publicado por Naturaleza , el equipo de investigación informa sobre el éxito en la ingeniería de órganos 3D de tamaño micro, conocidos como organoides, y conectarlos juntos en una sola plataforma para monitorear su función. Mientras que otros equipos han combinado células de múltiples órganos en un sistema similar, este es el primer éxito reportado usando estructuras de órganos 3D, conocido por tener un funcionamiento superior y modelar con mayor precisión el cuerpo humano.
Las estructuras de los órganos se obtuvieron a partir de tipos de células que se encuentran en el tejido humano nativo mediante impresión 3D y otros métodos. Se seleccionaron el corazón y los hígados para el sistema porque la toxicidad de estos órganos es una de las principales razones de las fallas de los candidatos a fármacos y del retiro del mercado de fármacos. Los pulmones son el punto de entrada de las partículas tóxicas y también de los aerosoles. como inhaladores para el asma.
Los organoides se colocan en un sistema monitoreado - completo con cámara en tiempo real. Un líquido lleno de nutrientes que circula a través del sistema mantiene vivos a los organoides y se utiliza para introducir posibles terapias farmacológicas en el sistema.
Los investigadores primero probaron los organoides para asegurar su similitud con los órganos humanos. Por ejemplo, el micro-hígado recibió una dosis alta de un analgésico común y luego un fármaco diferente para contrarrestar los efectos tóxicos.
"Los datos muestran una respuesta tóxica significativa al fármaco, así como la mitigación por el tratamiento, reflejando con precisión las respuestas observadas en pacientes humanos, "dijo Aleks Skardal, Doctor., profesor asistente en el Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, quien representó al equipo de múltiples investigadores como el autor principal del artículo.
Pero más importante que cómo responde un órgano individual a las drogas es cómo responde el cuerpo en su conjunto. En muchos casos, durante las pruebas de nuevos candidatos a fármacos, y a veces incluso después de que los fármacos han sido aprobados para su uso, los fármacos tienen efectos tóxicos inesperados en tejidos que no son directamente objetivo de los fármacos en sí.
"Si analiza un fármaco solo en el hígado, por ejemplo, nunca verá un efecto secundario potencial en otros órganos, ", dijo Skardal." Mediante el uso de un sistema de órganos en un chip de tejidos múltiples, Es de esperar que pueda identificar los efectos secundarios tóxicos al principio del proceso de desarrollo del fármaco, lo que podría salvar vidas y salvar millones de dólares ".
Los científicos llevaron a cabo múltiples escenarios para garantizar que el sistema body-on-a-chip imite una respuesta de múltiples órganos. Por ejemplo, introdujeron un fármaco utilizado para tratar el cáncer en el sistema. Conocido por causar cicatrices en los pulmones, la droga también afectó inesperadamente el corazón del sistema. Sin embargo, un experimento de control que utilizó solo el corazón no mostró respuesta.
Los científicos teorizan que el fármaco provocó que las proteínas inflamatorias del pulmón circularan por todo el sistema. Como resultado, el corazón aumentó los latidos y luego se detuvo por completo, lo que indica un efecto secundario tóxico.
"Esto fue completamente inesperado, pero es el tipo de efecto secundario que se puede descubrir con este sistema en el proceso de desarrollo de fármacos, "Dijo Skardal.
Los científicos están trabajando para aumentar la velocidad del sistema para la detección a gran escala, y también para agregar órganos adicionales.
"Con el tiempo, esperamos demostrar la utilidad de un sistema de cuerpo en un chip que contiene muchos de los órganos funcionales clave del cuerpo humano, ", dijo Atala." Este sistema tiene el potencial de detección avanzada de medicamentos y también para ser utilizado en medicina personalizada, para ayudar a predecir la respuesta de un paciente individual al tratamiento ".
Se han presentado varias solicitudes de patente que comprenden la tecnología descrita en el manuscrito.
