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Chip dell'organo umano per migliore sviluppo della droga

Il trattamento di sviluppare le nuove droghe è sia difficile che costoso. È stimato che di tutti i candidati della droga che cominciano fuori sul loro viaggio di prova, meno di 14% realmente lo fanno alla scena clinica e ricevono l'approvazione dagli Stati Uniti Food and Drug Administration (FDA). Gli studi sugli animali sono non solo estremamente costo-pesanti e che richiede tempo sul disgaggio dello sviluppo della droga ma egualmente stanno diventando sempre più per quanto gli attivisti di diritti degli animali diventino discutibili più militanti. Queste emissioni le hanno reso un aspetto di grande importanza per trovare le sostituzioni per i modelli animali.

Un'area dello sviluppo della droga che assolutamente richiede la prova preclinica negli animali è lo studio dell'assorbimento della droga, della distribuzione, del metabolismo e dell'escrezione (ADME) all'interno dell'organismo. Ciò è chiamata farmacocinesi ed è responsabile della concentrazione definitiva della droga nell'organismo. Il metabolismo della droga è influenzato dalle vie di segnalazione fra una miriade di organi attraverso i canali vascolari che contengono il sangue.

La sperimentazione animale è egualmente essenziale per lo studio sulle farmacodinamica della droga (PD) dove gli effetti della droga sui vari organi sono rivelati. Questa area è importante perché è responsabile del meccanismo di atto della droga e degli effetti secondari. La nuova ricerca dall'istituto del Wyss di Harvard per l'organizzazione biologicamente ispirata riferisce il progresso significativo nello spostamento ad un metodo di prova più etico mentre ancora mantiene l'affidabilità. Due contro pubblicazioni nell'assistenza tecnica biomedica della natura, descrivono la ricerca del gruppo di Wyss completamente.

In questo grafico, il sistema umano del Organismo-su-Chip dell
In questo grafico, il sistema umano del Organismo-su-Chip dell'istituto di Wyss è messo a strati sopra la trafilatura dell'inchiostro di Leonardo da Vinci “dell'uomo di Vitruvian„, che rappresenta le proporzioni ideali del corpo umano. I ricercatori hanno usato un metodo di calcolo di operazione di disgaggio per tradurre i dati ottenuti dagli esperimenti della droga nel Organismo-su-Chip umano alle dimensioni dell'organo del corpo umano reale. Credito di immagine: Istituto di Wyss alla Harvard University

Chip dell'organo

Un chip dell'organo è un'unità che è progettata per cultura microfluidic. Costruito di chiaro polimero flessibile, è soltanto grande come unità USB e consiste di due canali che funzionano giù la sua lunghezza parallelamente, con una partizione porosa della membrana fra loro. Da un lato, il canale contiene le celle da un organo specifico. Dall'altro lato, ci sono celle endoteliali vascolari che si sviluppano nel reticolo embrionale per ricreare un vaso sanguigno. Ogni canale è bagnato con un media specifico per il suo tipo delle cellule.

La presenza della partizione porosa concede segnalare fra i compartimenti. Inoltre, le molecole gradiscono le citochine, i fattori di crescita, molecole della droga ed i metaboliti possono tutti della droga passare da parte a parte, poichè sono formati durante le attività metaboliche specifiche che si presentano in ogni organo differente.

Il primo chip dell'organo, che è stato chiamato popolare dallo slogan più catchier “organo su un chip„, è stato sviluppato nel 2010. Questo modello ha ricreato il funzionamento normale del polmone come pure del trattamento di malattia, con accuratezza incredibile.

Il concetto del organismo-su-chip

Il concetto corrente del organismo-su-chip è stato proposto dallo studio Donald Ingber autore nel 2011, in base alla presenza del canale foderato d'endotelio vascolare. Il presupposto di base era che se il lavoro di un organo potesse essere ricreato, in modo da potrebbe l'intero organismo, collegando i canali vascolari fra i tipi multipli di organi scheggia allo stesso modo gli organi nell'organismo è connesso tramite un apparato circolatorio comune. Ciò permetterebbe di valutare sia le farmacocinesi che le farmacodinamica attraverso il sistema d'imitazione miniatura piuttosto che sui tipi differenti di celle in vitro, che cadono a corto di lontano la disposizione fisiologica reale.

Questo concetto ha guadagnato la potenza dalla realizzazione delle molte imperfezioni dei modelli dell'animale da laboratorio dell'oggi, compreso la mora in questione, in una situazione dove agenti biologici di molti tipi differenti posa una grande minaccia contro salubrità globale, richiedenti la risposta immediata.

La realtà

Ciò ha permesso al progetto di ottenere una concessione dal Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) l'anno prossimo per un'impresa DARPA-dettata estremamente ambiziosa. Ciò era niente di meno che creare un organismo-su-chip artificiale, consistente di 10 organi umani differenti collegati da uno strumento fluido automatizzato. Sfruttando la potenza di modellistica di calcolo, gli scienziati si sono pensati che analizzino i dati ottenuti da questa piattaforma per predire come una droga data pregiudicherebbe l'organismo e che livello raggiungerebbe in vari dosaggi.

Il successo del gruppo nel superamento della questa sfida principale e nell'uscire con i risultati accurati è descritto in due articoli consecutivi nel giornale.

La piattaforma

Nel primo articolo, la piattaforma modulare dei organismo-su-chip è descritta. Concentra su un'unità ingegnosa dell'interrogatore capace della coltura fino a 10 chip differenti dell'organo come pure del trasferimento fluido sequenziale robot diretto fra dei i canali vascolari foderati d'endotelio, interamente collegato per simulare il reticolo dell'organismo. Il media di aspersione era un sostituto su misura di sangue. Il sistema ha potuto tenere i tessuti possibili e funzionali per il più di 21 giorno.

Gli scienziati potrebbero seguire la distribuzione della droga attraverso l'intero sistema. L'interrogatore può robot aggiungere o campionare il media. Il sistema è completamente programmabile. Inoltre, un microscopio insito permette che ogni tessuto sia esaminato per attuabilità e salubrità. I ricercatori hanno trovato quello

Gli esperimenti

Il primo esperimento è stato destinato per verificare gli effetti della droga sulle 2 reti differenti di 3 chip dell'organo (fegato-rene dell'intestino in uno e del midollo dell'fegato-rene-osso nel secondo) collegati tramite una rete fluida. Questo sistema egualmente ha avuto un bacino idrico centrale in cui il ` arterioso' ed il sangue venoso del `' erano misti. Ciò ha contribuito a ricreare la situazione fisiologica dove le sostanze, compreso le droghe, sono scambiate nel sangue, fra i vari organi. Era egualmente un modo conveniente ricavare il sangue dalla campionatura come se da un filone periferico nell'organismo reale.

I risultati di calcolo

Il secondo articolo descrive una nuova tecnica di calcolo di operazione di disgaggio per derivare col passare del tempo i cambiamenti dinamici nei livelli della droga e gli effetti contrari sui vari organi. Le manifestazioni di calcolo che cosa accadrebbe se l'organo fosse della dimensione che è tipica del corpo umano medio. Questa tecnica egualmente registra per ottenere l'adsorbimento fisico della droga nei materiali nel sistema sperimentale.

Con il primo sistema, i ricercatori hanno aggiunto il nicotina al chip dell'intestino, per simulare il nicotina orale, usato spesso come una gomma per aiutare i fumatori a terminare, ma recentemente anche per la malattia di viscere infiammatoria e le malattie degeneranti del sistema nervoso, a titolo sperimentale. I livelli della droga ai vari punti sono stati misurati facendo uso di spettrometria di massa.

Interrogator: Human Organ-on-Chips

Interrogatore: Organo-su-Chip umani dall'istituto di Wyss su Vimeo.

Con il secondo, la distribuzione e gli effetti della droga esplorata ricercatori dopo l'amministrazione endovenosa del `' del cisplatin comunemente usato della droga di chemioterapia. Hanno trovato la stessa capacità di predire esattamente i sui effetti farmacodinamici ed anche il suo spazio nel fegato. Ciò faciliterà una comprensione più dettagliata delle sue farmacocinesi.

Ciò è la prima volta che è diventato possibile ad artificialmente ed esattamente predice dinamicamente che cosa sembrerà drogare i livelli nel sangue e fornire un modello per le farmacocinesi. Dice il co-ricercatore Ben Maoz, “il risultato ha calcolato le concentrazioni massime nel nicotina, il momento necessario affinchè il nicotina raggiungano i compartimenti differenti del tessuto e le velocità di eliminazione nei chip del fegato nel nostro in silico al modello dentro basato a vitro si sono rispecchiate molto attentamente che cosa era stato misurato precedentemente in pazienti.„ Un altro ricercatore Anna Harland, echi, “la nostra analisi ricapitola gli effetti farmacodinamici del cisplatin in pazienti, compreso una diminuzione nei numeri del globulo differente digita e un aumento in indicatori della lesione del rene.„

Significato ed implicazioni

Naturalmente, DARPA è bene informato che i sui scopi sono spesso sopra la cima, ma il suo obiettivo è di determinare la ricerca ai livelli senza precedenti di risultato.  Il ricercatore Donald Ingber dice, “eravamo molto fieri ottenere il supporto principale di finanziamento da DARPA per intraprendere questa sfida ed ora siamo che con successo abbiamo incontrato il loro scopo, che non sarebbe stato possibile senza i talenti eccezionali, interdisciplinare spirito ancor più fiero e sforzo monumentale del gruppo all'istituto di Wyss.„

Il progetto ha comportato gli specialisti da una miriade di campi, compreso assistenza tecnica, la microfabbricazione, la farmacologia, il calcolo, la modellistica di industriale e la fisiologia. Ingber riassume: ““Questo è che cosa amiamo fare all'istituto di Wyss: trasformi la fantascienza il fatto di scienza. E speriamo che la nostra dimostrazione che questo livello di biomimicry è possibile facendo uso della tecnologia del chip dell'organo raccoglierà ancora il maggior interesse dall'industria farmaceutica in moda da potere diminuire progressivamente col passare del tempo la sperimentazione animale.„

Source:

Human Body-on-Chip platform enables in vitro prediction of drug behaviors in humans - https://wyss.harvard.edu/news/human-body-on-chip-platform-enables-in-vitro-prediction-of-drug-behaviors-in-humans/

Journal references:

Herland, A., Maoz, B.M., Das, D. et al. Quantitative prediction of human pharmacokinetic responses to drugs via fluidically coupled vascularized organ chips. Nat Biomed Eng (2020). https://doi.org/10.1038/s41551-019-0498-9

Novak, R., Ingram, M., Marquez, S. et al. Robotic fluidic coupling and interrogation of multiple vascularized organ chips. Nat Biomed Eng (2020). https://doi.org/10.1038/s41551-019-0497-x

Dr. Liji Thomas

Written by

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas is an OB-GYN, who graduated from the Government Medical College, University of Calicut, Kerala, in 2001. Liji practiced as a full-time consultant in obstetrics/gynecology in a private hospital for a few years following her graduation. She has counseled hundreds of patients facing issues from pregnancy-related problems and infertility, and has been in charge of over 2,000 deliveries, striving always to achieve a normal delivery rather than operative.

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