Nicht viele Erfindungen sind in der Herstellung so teuer oder scheitern so wahrscheinlich wie neue Medikamente.
Es wird geschätzt, dass die Entwicklung und Erprobung eines neuen Arzneimittels durchschnittlich 10 Jahre dauert und fast 1, 4 Milliarden US-Dollar kostet. Etwa 85 Prozent schaffen es nie über frühe klinische Studien hinaus, und von denen, die dies tun, ist nur die Hälfte tatsächlich von der FDA für den Markt zugelassen. Das ist einer der Gründe, warum Drogen so viel kosten.
Nun die guten Nachrichten. Wissenschaftler, die sich darauf konzentrieren, die Erfolgsaussichten zu verbessern, den Prozess zu beschleunigen und gleichzeitig die Sicherheit von Medikamenten zu gewährleisten, haben eine vielversprechende Innovation entwickelt: Organe auf einem Chip auf einem Gerät etwa so groß wie ein Computer-Memory-Stick.
Der jüngste Sprung nach vorne stammt von einem Team biomedizinischer Ingenieure an der Universität von Toronto. Anfang dieser Woche erklärten diese Wissenschaftler in einem Artikel in der Fachzeitschrift Nature Materials, wie es ihnen gelungen ist, Herz- und Lebergewebe auf einem kleinen, dreidimensionalen Gerüst wachsen zu lassen, das mit haardünnen künstlichen Blutgefäßen besetzt ist, und dann Beobachten Sie, wie die Organe im menschlichen Körper funktionieren.
Sie bezeichnen ihr Gerät als AngioChip und laut Milica Radisic, dem Leiter des Teams, geht sein Potenzial über die Revolutionierung des Drogentestprozesses hinaus. Sie stellt sich einen Tag vor, an dem es in einen menschlichen Körper implantiert werden könnte, um erkrankte oder beschädigte Organe zu reparieren.
"Es ist wirklich multifunktional und löst viele Probleme im Bereich Tissue Engineering", sagte Radisic, Professor am Institut für Biomaterialien und Biomedizinische Technik der Universität, in einer Pressemitteilung. "Es ist wirklich die nächste Generation."
Mini-Orgeln bauen
Forscher sind bereits in der Lage, Organgewebe in Labors zu züchten, aber es befindet sich in der Regel auf einer flachen Platte und führt zu einem zweidimensionalen Modell, das sich von dem unterscheidet, was tatsächlich in uns geschieht. Das schränkt ein, wie viel Forscher über die Wirksamkeit und das Risiko der Verwendung eines neuen Arzneimittels zur Behandlung eines bestimmten Organs erfahren können.
Aber Technologie wie der AngioChip bietet eine realistischere, wenn auch winzigere Version menschlicher Organe, und das, so Radisic, wird es Forschern ermöglichen, Medikamente, die es wert sind, in klinische Studien aufgenommen zu werden, frühzeitig zu identifizieren. Es könnte auch die Notwendigkeit, sie an Tieren zu testen, erheblich verringern.
Der Bau des Geräts war keine kleine Herausforderung. Der Doktorand Boyang Zhang musste zunächst eine Technik namens 3D-Stanzen anwenden, um extrem dünne Schichten eines klaren, flexiblen Polymers zu erzeugen. Jede Schicht enthielt ein Muster von Kanälen, die nicht breiter als ein menschliches Haar waren. Diese dienen als Blutgefäße des Organs.
Anschließend stapelte er die Schichten manuell und löste mit UV-Licht eine chemische Reaktion aus, die sie miteinander verband. Dies schuf das Gerüst, um das das Organ wachsen würde. Um zu sehen, ob ihre Erfindung tatsächlich funktionieren würde, implantierten die Forscher sie in eine Ratte. Sie waren begeistert zu sehen, wie Blut durch die engen Kanäle des Geräts floss, ohne zu gerinnen.
Dann badeten sie einen AngioChip in einer Flüssigkeit, die mit lebenden menschlichen Herzzellen gefüllt war. Bald begannen diese Zellen innerhalb und außerhalb der künstlichen Blutgefäße zu wachsen, genau wie in einem menschlichen Körper. Als die Zellen im nächsten Monat weiter wuchsen, begann das flexible Gerät, sich wie ein Organ zu verhalten und sich schließlich in einem gleichmäßigen Rhythmus wie ein Herzschlag zusammenzuziehen und auszudehnen.
"Das Besondere am AngioChip ist, dass wir ein Gefäßsystem im Gewebe aufgebaut haben", erklärt Zhang. "Dieses Netzwerk von Gefäßen wird uns in Zukunft helfen, mehrere Organe miteinander zu verbinden, so wie unsere Organe in unserem Blutsystem miteinander verbunden sind."
Transplantationen ersetzen?Die Ingenieure haben auf die gleiche Weise eine Leber auf einem Chip erzeugt. Mit der Zeit begann es sich wie sein menschliches Gegenstück zu verhalten, indem es Harnstoff produzierte, die Hauptverbindung im Urin, und auch Medikamente metabolisierte. Schließlich werden die Wissenschaftler in der Lage sein, Chips verschiedener Organe zu verbinden, um nicht nur zu sehen, wie sich ein Medikament auf jedes Organ auswirkt, sondern auch auf beide gleichzeitig.
Oder wie Radisic vermutet hat, könnten ein Tumor und Herzzellen miteinander verbunden werden, um festzustellen, welche Medikamente den Tumor zerstören könnten, ohne das Herz zu schädigen.
"Die kleinsten Gefäße in diesem Gewebe waren nur so breit wie ein menschliches Haar, aber das Blut konnte immer noch leicht durch sie fließen", sagte Radisic. "Dies bedeutet, dass wir mithilfe dieser Plattform menschliche Tumore bei Tieren aufbauen können." Entdecken Sie neue, effektivere Krebsmedikamente. "
Labororgane haben eindeutig das Potenzial, den Drogentestprozess präziser und schneller zu gestalten. Aber sobald der AngioChip beim Menschen implantiert werden kann, könnte er die Notwendigkeit ersetzen, Organe von einer anderen Person zu verpflanzen. Stattdessen könnten Organe mit Zellen aus dem Wirt gezüchtet werden, was das Abstoßungsrisiko signifikant senken könnte.
Durchschnittlich 21 Menschen sterben jeden Tag, weil für Transplantationen keine geeigneten Organe zur Verfügung stehen.
Der nächste Schritt für das Team der Universität von Toronto besteht darin, mit einem Hersteller zusammenzuarbeiten, um ein Verfahren für den Bau mehrerer AngioChips gleichzeitig zu entwickeln. Im Moment sind sie einzeln von Hand gebaut.
