Es dauert viele Jahre und Milliarden von Dollar, um ein neues Arzneimittel von einer Idee im Chemielabor auf den Markt zu bringen. Jedes Jahr werden in den USA nur einige Dutzend neue Medikamente zur Anwendung zugelassen.
Menschliche "Organe auf Chips" führen eine Revolution in der Arzneimittelsicherheitsprüfung an. Diese Geräte verwenden menschliche Zellen, um die Struktur und Funktion menschlicher Organe und Gewebe zu modellieren. Indem die potenziellen Auswirkungen von Medikamenten auf verschiedene Organe schneller als mit herkömmlichen Methoden getestet werden, können Organ-on-Chips den Bedarf an Tierversuchen verringern und besser vorhersagen, welche neuen Medikamente Krankheiten beim Menschen wirksam behandeln.
Als Teil eines interdisziplinären Forschungsteams arbeiten wir an einem Nieren-on-a-Chip-Verfahren, um besser zu verstehen, wie Nierenerkrankungen beginnen und welche Medikamente sie sicher behandeln können.
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In der Vergangenheit wurden Labortests für neue Medikamente in Zellen durchgeführt, die in Schalen oder Flaschen gezüchtet wurden. Wenn ein Medikament in vitro erste Screeningtests besteht, testen die Forscher es anschließend in vivo an lebenden Tieren, um die Auswirkungen eines neuen Medikaments auf ein Gesamtsystem zu bestimmen, anstatt jeweils nur einen Zelltyp. Schließlich werden die Forscher nach vielen Jahren der Laboruntersuchung ein vielversprechendes neues Medikament bei Menschen testen, um festzustellen, ob es sicher und wirksam ist.
Das Problem ist, dass 9 von 10 dieser Medikamente es nie von kleinen menschlichen Tests zum Patienten schaffen, weil sie sich als unwirksam oder toxisch herausstellen, selbst wenn sie in frühen Tests vielversprechende Ergebnisse zeigten.
Organe auf Chips haben das Potenzial, dieses System vollständig zu transformieren. Sie reichen von der Größe eines Fingernagels bis zur Größe einer Kreditkarte und bestehen aus Flüssigkeitskanälen und winzigen Kammern, die menschliche Zellproben enthalten. Zu den Organ-on-Chips, die in Labors im ganzen Land entwickelt werden, gehören Nieren, Lungen, Leber, Darm, Haut, Gehirn, Herz, Knochen und Fortpflanzungssysteme.
In einem Organ auf einem Chip versorgt eine fließende Flüssigkeit die Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen, ähnlich wie das Blut die Zellen im menschlichen Körper versorgt. Es ist dieser konstante Fluss, der diese Geräte besonders macht. Zellen, die in Organ-on-Chip-Vorrichtungen gezüchtet werden, verhalten sich eher wie Zellen in einem menschlichen Organ als wie Zellen, die in flachen Schalen ohne Fluss gezüchtet werden.
Flüssigkeit zirkuliert durch eine Niere auf einem Chip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nieren sind unglaublich wichtig für die allgemeine menschliche Gesundheit. Die beiden faustgroßen Nieren entfernen Medikamente und unerwünschte Verbindungen aus dem Körper und spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung eines ausgewogenen Salz- und Wasserhaushalts, des Blutdrucks sowie der Gesundheit von Vitamin D und Knochen. Genetische Erkrankungen und sogar häufig verabreichte Medikamente können unter Umständen die Nieren schädigen.
In den USA leiden 15 Prozent der Erwachsenen an Nierenerkrankungen. Aber die meisten wissen es nicht einmal, weil Nierenerkrankungen oft keine Symptome zeigen, bis die Krankheit sehr weit fortgeschritten ist. Es ist dringend erforderlich, die Entstehung von Nierenerkrankungen zu verstehen und neue sichere und wirksame Behandlungsmethoden zu entwickeln.
Hier an der University of Washington besteht unser Nieren-auf-Chip-Forschungsteam aus Wissenschaftlern aus vielen verschiedenen Disziplinen, darunter Pharmazie, Pharmazeutische Wissenschaften, Nephrologie (Nierenmedizin), Toxikologie, Biochemie und Bioingenieurwesen.
In Zusammenarbeit mit Nortis, Inc., einem lokalen Biotechnologieunternehmen, hat unser Team ein kleines Gerät in der Größe einer Visitenkarte mit bis zu drei winzigen Röhrchen entwickelt, von denen jedes ein Tausendstel der Größe eines Wassertropfens mit 5.000 Menschen entspricht Nierenzellen. Wenn kleine Mengen Flüssigkeit durch die Röhrchen gepumpt werden, sind die Nierenzellen wichtigen Signalen ausgesetzt, die dazu beitragen, dass sich die Zellen im Chip so verhalten, als wären sie in einer lebenden Niere.
Wir haben festgestellt, dass die Nierenzellen bei Exposition gegenüber bekannten Nierentoxinen als Biomarker bezeichnete Verletzungssignale auslösen. Unsere Forschung hat gezeigt, dass Zellen auf dem Chip Marker für Verletzungen freisetzen, die häufig im Urin von Menschen mit Nierenschäden auftreten. Tests mit der älteren Methode, bei denen Zellen auf Platten verwendet wurden, zeigten bei derselben Behandlung keine Schäden. Dies deutet darauf hin, dass die Nieren-on-a-Chip-Methode besser als bestehende Methoden ist, um vorherzusagen, ob ein neues Medikament beim Menschen Nierenschäden verursachen wird.
Diese Geräte können besser testen, wie Moleküle lebende menschliche Zellen beeinflussen. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Nachdem wir diese vielversprechenden Ergebnisse erzielt haben, fangen wissenschaftliche Teams im ganzen Land an, verschiedene Organe miteinander zu verbinden, um ein komplexeres System mit mehreren Organen zu replizieren und bessere Einblicke in die Auswirkungen von Drogen auf Menschen zu erhalten. Zum Beispiel konnten wir eine Leber-auf-einem-Chip mit einer Niere-auf-einem-Chip verbinden, um zu erfahren, wie ein Pflanzenextrakt, der in einigen pflanzlichen Arzneimitteln verwendet wird, die als Aristolochinsäure bezeichnet werden, die Nierenzellen schädigt. Diese Chip-zu-Chip-Untersuchung verstärkt den Bedarf an miteinander verbundenen Organen auf einem Chip, um die komplexen Mechanismen im menschlichen Körper nachzubilden.
Im kommenden Jahr wird unser Nieren-auf-einem-Chip-Projekt eines von mehreren sein, die an die Internationale Raumstation geschickt werden, wo die geringe Schwerkraft die Zellveränderungen beschleunigt und manchmal zu Gesundheitsproblemen für Astronauten führt. Die Raumstation könnte der perfekte Ort sein, um mehr über Nierenerkrankungen in Wochen statt in Jahren oder Jahrzehnten herauszufinden.
Organe auf Chips können auch verwendet werden, um neue Wirkstoffziele zu entdecken. Unser Team evaluiert die Nieren-on-a-Chip-Methode als Instrument zur Personalisierung der Arzneimittelauswahl und -dosierung bei Menschen mit Nierenkrebs, polyzystischer Nierenerkrankung und chronischer Nierenerkrankung. Andere Organ-on-Chip-Labors im ganzen Land untersuchen Erkrankungen des Immunsystems, des Gehirns, der Lunge, des Herzens und der Blutgefäße. In Zusammenarbeit entwickeln Dutzende von Forschungsteams diese neue Technologie, um die Wirkstoffforschung zu revolutionieren und bessere und sicherere Medikamente für alle zu entwickeln.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Catherine Yeung, wissenschaftliche Mitarbeiterin Professorin für Pharmazie, University of Washington
Edward Kelly, außerordentlicher Professor für Pharmazie, University of Washington
Jonathan Himmelfarb, Direktor des Kidney Research Institute und Professor für Medizin an der University of Washington
