Получаването на нов фармацевтичен продукт от идея в лабораторията по химия отнема много години и милиарди долари. Всяка година само няколко десетки нови лекарства са одобрени за употреба в Съединените щати.
Човешките „органи на чипове“ водят революция в тестването за безопасност на наркотиците. Тези устройства използват човешки клетки, за да моделират структурата и функцията на човешките органи и тъкани. Чрез тестване на потенциалните ефекти на лекарствата върху различни органи по-бързо от традиционните методи, органи-чипове могат да намалят нуждата от изследвания върху животни и по-добре да предскажат кои нови лекарства ще лекуват ефективно човешкото заболяване.
Като част от интердисциплинарен изследователски екип, ние работим върху бъбрек на чип, за да подобрим разбирането си за това как започват бъбречните заболявания и кои лекарства могат безопасно да ги лекуват.
**********
В исторически план лабораторните изследвания за нови лекарства се извършват в клетки, отглеждани в чинии или колби. Ако дадено лекарство премине първоначални скринингови тестове in vitro, изследователите го следват тест in vivo при живи животни, за да определят ефектите на ново лекарство върху цяла система, а не само от един тип клетки наведнъж. И накрая, след много години лабораторни изследвания, изследователите ще изпробват новообещаващо ново лекарство, за да видят дали е безопасно и ефективно.
Проблемът е, че 9 от 10 от тези лекарства никога не го правят от дребномащабни човешки тестове към пациента, тъй като те се оказват неефективни или токсични, дори ако са показали обещаващи резултати при ранните тестове.
Органите на чиповете имат потенциала да трансформират напълно тази система. В диапазона от размера на нокътя до този на кредитната карта, те са съставени от течни канали и малки камери, които съдържат проби от човешки клетки. Органите на чипове в развитието в лаборатории в цялата страна включват бъбреците, белите дробове, черния дроб, червата, кожата, мозъка, сърцето, костите и репродуктивните системи.
В чип от орган върху чип течаща течност снабдява клетките с кислород и хранителни вещества, подобно на начина, по който кръвта поддържа клетките в човешкото тяло. Именно този постоянен поток прави тези устройства специални. Клетките, отглеждани в устройства с органични чипове, действат повече като клетки в човешки орган, отколкото клетки, отглеждани в плоски чинии без поток.
Течността циркулира през бъбрек на чип. (Алекс Левин, CC BY-ND) **********
Бъбреците са изключително важни за цялостното човешко здраве. Двата бъбрека с размер на юмрук премахват лекарствата и нежеланите съединения от тялото и играят решаваща роля за поддържането на правилния баланс на сол и вода, кръвното налягане и витамин D и здравето на костите. Генетичните състояния и дори често прилаганите лекарства при някои обстоятелства могат да увредят бъбреците.
В САЩ 15 процента от възрастните имат бъбречни заболявания. Но повечето дори не го знаят, защото бъбречните заболявания често не показват симптоми, докато състоянието не е много напреднало. Има належаща необходимост да се разбере как започва заболяването на бъбреците и да се разработят нови безопасни и ефективни лечения.
Тук, във Вашингтонския университет, нашият изследователски екип с бъбреци на чип е съставен от учени от много различни дисциплини, включително фармация, фармацевтични науки, нефрология (лекарство на бъбреците), токсикология, биохимия и биоинженеринг.
В партньорство с Nortis, Inc., местна компания за биотехнологии, нашият екип създаде малко устройство - с размер на визитна картичка - с до три малки тръбички, всяка една хилядна с размер на капка вода, съдържаща 5000 човека бъбречни клетки. Когато през тръбите се изпомпват малки количества течност, бъбречните клетки са изложени на важни сигнали, които помагат на клетките в чипа да се държат, сякаш са в жив бъбрек.
Установихме, че бъбречните клетки освобождават сигнали - наречени биомаркери - за нараняване, когато са изложени на известни бъбречни токсини. Нашето изследване показа, че клетките на чипа отделят маркери на наранявания, които обикновено се наблюдават в урината на хора с увреждане на бъбреците. Тестването с по-стария метод с използване на клетки върху плочи не показа никакви щети със същото третиране. Това предполага, че бъбрекът на чип може да е по-добър от съществуващите методи при прогнозиране дали ново лекарство ще причини увреждане на бъбреците при хората.
Тези устройства вършат по-добра работа за тестване как молекулите влияят на живите човешки клетки. (Алекс Левин, CC BY-ND) **********
Сега, когато постигнахме тези обещаващи резултати, научните екипи в цялата страна започват да свързват различни органи заедно, за да възпроизведат по-сложна, многоорганна система, за да дадат по-голяма представа за това как наркотиците влияят на хората. Например, успяхме да свържем черен дроб на чип с бъбрек на чип, за да научим как растителен екстракт, използван в някои билкови лекарства, наречен аристолохинова киселина, уврежда бъбречните клетки. Това разследване на чип-чип засилва необходимостта от взаимосвързани органи-на-чип, които да възпроизведат сложната механика в човешкото тяло.
През следващата година нашият проект за бъбрек върху чип ще бъде един от няколкото изпратени до Международната космическа станция, където ниската гравитация ускорява промените в клетките, понякога причинявайки здравословни проблеми на астронавтите. Космическата станция може да бъде идеалното място да разберете повече за бъбречните заболявания за седмици, а не за години или десетилетия.
Органи-чипове могат да се използват и за откриване на нови цели за наркотици. Нашият екип оценява бъбреците на чип като инструмент за персонализиране на избора и дозирането на лекарства при хора с рак на бъбреците, поликистозни бъбречни заболявания и хронични бъбречни заболявания. Други лаборатории с органи на чипове в цялата страна изучават заболявания на имунната система, мозъка, белите дробове, сърцето и кръвоносните съдове. Работейки заедно, десетки изследователски екипи разработват тази нова технология за революция в откриването на наркотици, което води до разработването на по-добри и по-безопасни лекарства за всички.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Катрин Йюнг, асистент по научни изследвания по фармация, Университет във Вашингтон
Едуард Кели, доцент по фармацевтика, Университет във Вашингтон
Джонатан Химелфарб, директор на Института за изследване на бъбреците и професор по медицина, Университета на Вашингтон
