Esta pregunta está en mi callejón y estoy feliz de que al menos alguien me pregunte.
Hay mucho que puedo decir …
Fondo
El desarrollo de medicamentos se está convirtiendo en una empresa costosa. En promedio, demora entre 12 y 16 años llevar un medicamento al mercado y las estimaciones del costo total se acercan a los $ 2,600 millones (los nuevos medicamentos cuestan $ 2,600 millones para desarrollarse). ~ 90% de las drogas candidatas probadas en humanos durante los ensayos clínicos no logran la aprobación (¿Puede la industria farmacéutica reducir las tasas de desgaste?), En gran parte porque no son efectivas (40-50% de los casos) o son tóxicas para los humanos (~ 30 -40% casos). Los eventos adversos causados por la toxicidad se pueden atribuir a más del 90% del medicamento retirado del mercado después de que hayan sido aprobados para uso humano. Las compañías farmacéuticas pierden mucho tiempo, esfuerzo y dinero tratando con tasas tan altas de desgaste / fracaso de medicamentos.
Entonces, ¿por qué hay tasas de fracaso tan altas durante los ensayos clínicos? ¿Por qué no podemos detectar y eliminar las drogas tóxicas antes de que se prueben en humanos?
Algunas razones por las que los candidatos a fármacos tóxicos no se detectan antes de los ensayos clínicos en humanos son:
1. Las plataformas de cribado de pruebas de toxicidad in vitro , tales como cultivos de células 2D / humanas en placa / células de roedores (línea celular, células primarias, tallo, células) o cultivos 3D (cultivos en sándwich, cocultivos en geles, cortes de tejido, etc.) utilizados durante la evaluación de seguridad no capturar la complejidad de la fisiología de los órganos humanos (ver abajo mi ejemplo de hígado humano). Entonces, las drogas pueden comportarse de manera diferente en cultivos celulares en comparación con un cuerpo humano donde hay interacciones dinámicas entre tantos tipos de células dentro de un órgano o entre dos o más órganos, lo que en gran medida decide el destino del fármaco que ingresa al cuerpo.
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2. Los animales (especialmente roedores) utilizados durante las etapas de prueba in vivo tienen una fisiología diferente en comparación con los humanos y pueden responder al fármaco de forma muy diferente (p. Ej., Más del 50% de los fármacos considerados tóxicos para el hígado humano son seguros para los animales). Entonces los animales tienen capacidades de predicción limitadas.
Los científicos intentan abordar estas limitaciones desarrollando modelos de órganos o enfermedades in vitro que son altamente relevantes para los humanos (biomiméticos), captan la fisiología y arquitectura compleja in vivo de órganos humanos (modelos organotípicos) y replican el microambiente multicelular ( sistemas microfisiológicos). Dichos modelos serían muy útiles tanto en el descubrimiento de fármacos como en la seguridad de los medicamentos / las pruebas de toxicidad, especialmente para eliminar los medicamentos tóxicos antes de que lleguen a los humanos.
Aquí es donde los microfluidos entran en la imagen . Las herramientas de microfabricación, microfluídica y cultivo celular pueden integrarse en pequeños órganos / plataformas de enfermedad en un chip (Aquí hay algunos buenos artículos de revisión Microfluídicos en chips y aquí Órganos en chips en las fronteras de la droga descubrimiento). Tales “biochips” son una posible solución para reducir significativamente el costo y el tiempo de desarrollo de medicamentos y entregar medicamentos más seguros y efectivos a los pacientes.
Las autoridades reguladoras (como la FDA de EE. UU.) Planean obligar a las empresas a incluir datos de evaluación de la seguridad de los medicamentos obtenidos a partir de dichos “biochips” organotípicos antes de otorgar las aprobaciones para futuros ensayos clínicos. El ritmo al que avanza la investigación no me sorprendería si esto se convierte en una parte rutinaria de la I + D farmacéutica en otra década. El NIH, la FDA y DARPA en los EE. UU. Y la UE están invirtiendo cientos de millones de dólares para acelerar el desarrollo de chips, especialmente para pruebas de toxicología . Lea Las agencias federales ponen en marcha un esfuerzo de $ 132 millones para crear ‘humanos en un chip’ o NIH financia la próxima fase del programa Tissue Chip for Drug Druging o página en fda.gov o el proyecto de la UE The Body-on-a-Chip.
¿Cómo podemos utilizar los microfluidos para construir diferentes órganos en un chip para aplicaciones de detección toxicológica de drogas?
Permítanme dar un ejemplo específico de cómo recrear un hígado humano usando microfluidos (es decir, hígado en un chip) y usarlo específicamente para pruebas de drogas (es decir, para obtener datos de toxicidad esenciales). Habiendo formado parte de un gran equipo de investigadores interdisciplinarios que desarrollan Liver-on-a-chip para aplicaciones de detección de drogas (Tissue Chip for Drug Screening Initiative), aquí es donde radica mi experiencia. Sin embargo, algunos detalles que se analizan a continuación también son relevantes para construir otros órganos / tejido / enfermedad-en-un-chip.
La unidad funcional más fundamental del hígado es la sinusoide. Miles de sinusoides se agrupan para formar un lóbulo, y un hígado adulto tiene millones de tales lóbulos. La lesión hepática inducida por medicamentos (DILI) es una forma importante de toxicidad en humanos (supongamos que usted sufre una sobredosis de un analgésico que contiene acetaminofén / paracetamol) y sinusoid es donde ocurre la acción cuando los medicamentos llegan al hígado.
Solo mira esta maldita cosa una vez …
(Fuente: Portal Virtual Liver Network)
¡Esto no es algo trivial!
La luz / canal sinusoidal transporta sangre rica en oxígeno desde la arteria hepática y la sangre rica en nutrientes desde la vena porta a las células y envía metabolitos, desechos y sangre pobre en oxígeno a través de la vena central. La pared del lumen está cubierta con células endoteliales sinusoidales hepáticas (LSEC) y contiene células / macrófagos inflamatorios llamados células de kupffer (KC), por debajo de los LSEC que son las células estrelladas hepáticas (HSC). Sin embargo, los principales actores en el hígado son los hepatocitos que hace la mayor parte del trabajo en su hígado. Hay espacio entre los hepatocitos y las células estrelladas llamado espacio de disección que contiene señales de crecimiento esenciales, proteínas de la matriz extracelular, etc. La bilis producida por los hepatocitos se recoge en el conducto biliar. Los LSEC, KC, HSC y hepatocitos se comunican constantemente entre sí, y su presencia en conjunto determina cómo el hígado responderá a un medicamento. Además, a medida que se mueve a lo largo de la sinusoide, las células están expuestas a diferentes niveles de oxígeno, hormonas (por ejemplo, insulina) y nutrientes. Así que los hepatocitos en un extremo se comportan de forma metabólica muy diferente en comparación con los del otro extremo. Esto se llama zonación metabólica. La zonación también determina cómo se procesan los medicamentos. A veces, las drogas pueden ser tóxicas para las células solo en zonas particulares.
Todas estas complejidades (cocultivos de 4 células, su geometría, zonación metabólica, etc.) no se capturan en la mayoría de las plataformas de pruebas de toxicidad existentes actualmente, y se puede imaginar por qué la eficacia del proceso de detección de seguridad es baja en la captura de fármacos tóxicos. Al tirar un montón de células en una placa de Petri / placa de pocillos, no se puede esperar que las células como los hepatocitos respondan a las drogas de la misma manera que lo hace en un hígado humano real.
Los microfluidos se pueden usar para crear estructuras complejas similares a órganos …
¡Un chip del tamaño de un pulgar puede hacer el trabajo! Son rentables para producir y operar, de alto rendimiento, y requieren menos medios de cultivo celular, células y una pequeña cantidad de drogas por chip para probar en comparación con los sistemas de cultivo celular tradicionales.
(Imagen de la primera iteración de un chip de hígado de nuestro laboratorio) 
Podemos recrear la arquitectura tridimensional del sinusoide hepático en un pequeño canal de tamaño micro, con todas las células hepáticas principales sembradas y dispuestas de la misma manera que en una sinusoide hepática real.
Podemos modelar y simular la velocidad de flujo de los medios nutrientes ricos en oxígeno (es decir, un fluido newtoniano) que ingresan al microcanal dentro del régimen de flujo laminar (en nuestro caso, el número de Reynolds <1). La velocidad de flujo puede ser tal que el gradiente de concentración de oxígeno, nutrientes y metabolitos presente a lo largo de la longitud del canal (es decir, zonación) imite las condiciones in vivo . Para todos los ingenieros químicos, es aquí donde su conocimiento de la mecánica de fluidos (el temido navier alimenta la ecuación), los fenómenos de transporte (por ejemplo, el número de Peclet, el número de Damkohler, etc.) y la cinética de reacción química es útil.
Hay muchos laboratorios que han desarrollado variaciones de chips de hígado de microfluidos basados en estos principios. Aquí está uno de los míos (si no te importa la autopromoción ;-)): Interacción dinámica de flujo y colágeno estabiliza el cultivo de hepatocitos primarios en una plataforma de microfluidos o papel de revisión de nuestro laboratorio Plataformas in vitro para evaluar toxicidad hepática o tecnologías de Bioreactor para apoyar la función hepática in vitro.
¿Qué datos de evaluación de toxicidad podemos obtener de tales chips de hígado?
(Fuente: Hacia una plataforma hepática microfluídica tridimensional para predecir la eficacia y toxicidad de los fármacos en humanos ) .
1. Podemos controlar la composición de ciertos componentes clave en los medios de cultivo / nutrientes que entran y salen del dispositivo, como los marcadores funcionales hepáticos (albúmina, urea, pérdida de LDH, secreciones de glucosa, etc.). También podemos medir el oxígeno y la entrada y salida del dispositivo y verificar la zonificación.
2. Al cocultivar células hepáticas normales (derivadas de líneas celulares humanas, células primarias o células madre pluripotentes) con algunas células informadoras fluorescentes (células biosensoras del conducto), podemos usar imágenes / microscopía para recopilar más datos sobre la viabilidad y la función de celdas
3. Realice estudios de Metabolismo y Farmacocinética (DMPK) / Absorción, Distribución, Metabolismo y Excreción (ADME) en un chip y detección de toxicidad para candidatos a fármacos utilizando tantas herramientas diferentes como ensayos de inmunofluorescencia, ensayos de viabilidad, ensayos de estabilidad metabólica. identificación de metabolitos basados en espectrometría de masas, inducción de enzima citocromo P450 (CYP), inhibición de CYP / UGT, etc.
4. Estudie los mecanismos de acción de los medicamentos midiendo los marcadores de apoptosis, estrés oxidativo, fosfolípidosis, colestasis intrahepática, etc.
5. Dado que la mayoría de los co-cultivos hepáticos de varios laboratorios pueden mantenerse funcionalmente estables en el chip durante más de 3 semanas, podemos controlar los efectos tóxicos tanto agudos como crónicos del medicamento.
Como puede ver, podemos obtener grandes cantidades de datos usando estos pequeños chips. Lo que es más importante, podemos utilizar todas las células humanas relevantes en estos dispositivos y predecir con mayor confianza cómo se comportará el fármaco cuando se administre a humanos durante ensayos clínicos y más allá.
Además de Liver-on-a-chip, hay otros chips de órganos que pueden usarse para aplicaciones específicas de detección de drogas. Aquí hay algunos documentos a los que me puedo referir si está interesado en saber más:
1. Biomimetic 3D Tissue Models para detección avanzada de drogas de alto rendimiento. 
2. Tecnología Microfluidic Organ-on-a-Chip para el avance del desarrollo de fármacos y la toxicología
Bonito video del instituto WYSS de Harvard que muestra cómo funcionan sus pulmones en un chip: http://wyss.harvard.edu/viewpage… y http://wyss.harvard.edu/viewpage…
3. Uso de sistemas de “cuerpo en un chip” guiados por farmacocinética con base fisiológica para predecir la respuesta de los mamíferos a la exposición a fármacos y sustancias químicas
Espero que esta respuesta ayude …
