Body-on-Chip: piattaforma umana in vitro per accelerare i test sui farmaci

Lo sviluppo di farmaci è un processo estremamente arduo e costoso e i tassi di fallimento negli studi clinici che testano nuovi farmaci per la loro sicurezza ed efficacia nell’uomo rimangono molto elevati. Secondo le stime attuali, solo il 13,8% di tutti i farmaci testati dimostra il massimo successo clinico e ottiene l’approvazione dalla Food and Drug Administration (FDA). Vi sono inoltre crescenti preoccupazioni etiche relative all’uso di studi sugli animali. Di conseguenza, nell’ultimo decennio gli scienziati si sono impegnati in una costante ricerca al fine di trovare adeguati sostituti dei modelli animali.

Per aiutare a risolvere questo problema , Donald Ingber , MD, Ph.D. e il suo team presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Institute di Harvard, hanno sviluppato il primo modello umano di “Organ-on-a-Chip” (Organ Chip) del polmone che ricapitola la fisiologia e la fisiopatologia a livello di organi umani con alta fedeltà, come riportato nella rivista Science nel 2010.

I chip organici sono dispositivi di coltura microfluidica composti da un polimero flessibile trasparente delle dimensioni di un memory stick per computer, che contiene due canali cavi paralleli separati da una membrana porosa. Le cellule specifiche dell’organo vengono coltivate su un lato della membrana in uno dei canali mentre le cellule endoteliali vascolari che rappresentano un tratto di un vaso sanguigno sull’altro; ciascun canale viene perfuso indipendentemente con il mezzo specifico del tipo di cellula. La membrana porosa consente ai due compartimenti di comunicare tra loro e di scambiare molecole come citochine, fattori di crescita e farmaci, nonché prodotti di scomposizione dei farmaci generati da attività metaboliche specifiche dell’organo.

Un esempio in cui gli animali vivi devono essere utilizzati nei test preclinici è la caratterizzazione della “farmacocinetica” (PK) di un farmaco che comporta la quantificazione del suo assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione (ADME), che insieme determinano i livelli di farmaco nel sangue. Queste risposte implicano l’interazione tra molti diversi organi collegati da una vascolarizzazione contenente sangue che scorre. Gli animali sono anche usati per analizzare la “farmacodinamica” (PD) del farmaco, gli effetti che il farmaco produce sui suoi organi bersaglio, ossia gli effetti alla base del suo meccanismo d’azione e quelli avversi.

Poiché i chip organici del Wyss Institute contengono un canale vascolare rivestito di endotelio, Ingber ha proposto nel 2011 che potrebbe essere possibile creare un “Body-on-Chips” umano trasferendo i fluidi tra i canali vascolari di molti diversi tipi di chip organici  in modo da imitare il flusso sanguigno per la valutazione dei comportamenti farmacocinetici / farmacologici in tutto il sistema collegato. 

L’anno successivo il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard ha stipulato un accordo di cooperazione del valore di $ 37 milioni con la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per lo  sviluppo di  uno strumento automatizzato che integra 10 organi umani su chip al fine di studiare la complessa fisiologia umana al di fuori del corpo.

Sebbene il progetto di creare una piattaforma Body-on-Chips umana, per prevedere quantitativamente il comportamento farmacologico umano in vitro, sembrasse inizialmente impossibile, oggi abbiamo due pubblicazioni su Nature , che descrivono il successo della squadra Wyss nel raggiungimento di questo obiettivo.

“Siamo stati molto orgogliosi di ottenere un importante sostegno finanziario dalla DARPA per affrontare questa sfida, e ora siamo ancora più orgogliosi di aver raggiunto con successo il loro obiettivo, che non sarebbe stato possibile senza i talenti eccezionali, lo spirito interdisciplinare e il team monumentale sforzo presso l’Istituto Wyss “, ha dichiarato Ingber, che è il direttore fondatore del Wyss, nonché professore di biologia vascolare Judah Folkmanpresso la Harvard Medical School e il Boston Children’s Hospital e professore di bioingegneria presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).  

Il primo studio

Nel  primo articolo , il team dell’Istituto Wyss presenta una piattaforma Body-on-Chips altamente modulare, che è abilitata da uno strumento ingegnerizzato “Interrogator” in grado di coltivare fino a 10 diversi chip di organi e trasferire sequenzialmente fluidi tra i loro canali vascolari rivestiti di endotelio, imitando il normale flusso di sangue umano tra i diversi organi del nostro corpo.

Lo strumento Interrogator ha consentito al team nel primo esperimento di coltivare, perfezionare e collegare molti tessuti umani aggregati ​​in un sistema di chip multi-organo completamente programmabile, utilizzando le capacità del dispositivo robotico di trasferimento del liquido e mantenendo  continuamente monitorata l’integrità dei tessuti con un microscopio integrato. 

“In questo studio, abbiamo collegato in serie i canali vascolari di otto diversi chip di organo, tra cui intestino, fegato, rene, cuore, polmone, pelle, barriera emato-encefalica e cervello, utilizzando un sostituto del sangue comune altamente ottimizzato. Lo strumento ha mantenuto la vitalità di tutti i tessuti e le loro funzioni specifiche per organo per oltre tre settimane”  ha affermato Richard Novak , Ph.D., co-primo autore di entrambi gli studi. 

Il secondo studio

 Nel secondo articolo , il team utilizza un metodo di ridimensionamento computazionale per tradurre i dati ottenuti da esperimenti farmacologici, che coinvolgono 3 diversi tipi di chip organici collegati fluidicamente, alle rispettive dimensioni degli organi nel corpo umano reale. L’approccio è in grado di prevedere quantitativamente le variazioni dei livelli di farmaco nel tempo, nonché le tossicità specifiche per organo, che sono state precedentemente misurate in pazienti umani.

Nel secondo studio, il team ha utilizzato lo strumento Interrogator per supportare due diverse configurazioni di 3 diversi chip di organi collegati tra loro e ad un serbatoio centrale di miscelazione di fluidi artero-venoso (AV) , fornendo anche un modo per eseguire il prelievo di sangue che imiterebbe il prelievo di sangue da una vena periferica. I ricercatori hanno collegato un chip intestinale umano, un chip epatico e un chip renale e hanno aggiunto nicotina al canale epiteliale del chip intestinale per simulare la somministrazione orale di questo farmaco e il suo primo passaggio (primo passaggio) attraverso la parete intestinale nel sistema vascolare che lo trasporta prima al fegato dove viene metabolizzato e successivamente al rene dove viene escreto.

Applicando l’analisi della spettrometria di massa, il team di Wyss ha quantificato i livelli di nicotina nel serbatoio AV e gli effluenti dei canali vascolari di tutti i diversi chip di organo, quindi ha adattato i dati con un approccio di ridimensionamento biomimetico che li traduce dalle dimensioni dell’organo Chip alle dimensioni effettive degli organi nel corpo umano. Per la prima volta, questo approccio computazionale combinato con i dati sperimentali di chip organici umani ha dimostrato la capacità di modellare l’assorbimento e il metabolismo dei farmaci e di prevedere quantitativamente i cambiamenti dinamici nei livelli ematici di farmaco (PK) precedentemente osservati negli studi clinici sull’uomo”

“Le concentrazioni massime di nicotina calcolate risultanti, il tempo necessario alla nicotina per raggiungere i diversi compartimenti tissutali e i tassi di clearance nei chip di fegato nel nostro modello in silico a base di vitro rispecchiavano da vicino ciò che era stato misurato in precedenza nei pazienti”, ha detto Ben Maoz , Ph.D., co-primo autore del secondo studio ed ex compagno di sviluppo tecnologico presso il Wyss Institute nel laboratorio di Parker.  Con una seconda configurazione multi-organo composta da chip di fegato, rene e midollo osseo collegati fluidicamente, il team ha studiato gli effetti farmacologici del cisplatino, un farmaco chemioterapico comunemente usato nei trattamenti contro il cancro, che viene somministrato per via endovenosa e mostra tossicità indesiderata nel rene e midollo osseo. 

“Entrambi gli studi rappresentano un enorme sforzo da parte di decine di ricercatori del Wyss Institute, che hanno collaborato con i nostri collaboratori di modellistica industriale e hanno unito le loro competenze collettive in ingegneria dei tessuti, microfabbricazione, farmacologia, fisiologica e computazionale per fare questo enorme progresso nel test preclinico dei farmaci possibile “, ha dichiarato Rachelle Prantil-Baun , Ph.D., scienziata senior dello Staff del Wyss Institute .

“Questo è ciò che amiamo fare al Wyss Institute: trasformare la fantascienza in realtà scientifica. E speriamo che la nostra dimostrazione che questo livello di biomimetica sia possibile utilizzando la tecnologia Organ Chip possa suscitare un interesse ancora maggiore da parte dell’industria farmaceutica in modo che i test sugli animali possano essere progressivamente ridotti nel tempo “, ha affermato Ingber.