NIST ha sviluppato un sistema che imita modelli simili all'uomo per lo studio delle malattie cardiovascolari. Il cuore su un chip si allinea agli sforzi nazionali per abbandonare i test sugli animali nello sviluppo di farmaci. La suite organ-on-a-chip, che include il cuore su un chip, contribuisce a garantire uno sviluppo farmacologico più sicuro, rapido e preciso.
In un importante passo avanti nello sviluppo di farmaci, i ricercatori dell'Instituto Nazionale di Standardizzazione e Tecnologia (NIST) hanno creato uno strumento per la costruzione di un sistema noto come cuore su un chip (HoC). Questa tecnologia mira ad affrontare le limitazioni dello sviluppo tradizionale di farmaci cardiovascolari, che si basa pesantemente sui test sugli animali. Riproducendo modelli simili all'uomo per lo studio delle malattie cardiovascolari, il sistema HoC promette di contribuire a sostituire i test sugli animali, accorciando i tempi di sviluppo dei farmaci e riducendo i costi. I risultati del team del NIST sono stati pubblicati su Lab on a Chip.
Il HoC è un dispositivo che imita le intricate interazioni delle cellule all'interno del cuore su un piccolo chip e fa parte della più ampia suite organ-on-a-chip (OoC). Il design effettivo del cuore su un chip varia, ma è tipicamente un piccolo chip trasparente o semitrasparente composto da una rete di microcanali stampati su uno strato di polimero. Questi microcanali sono progettati in modo intricato per imitare i vasi sanguigni trovati nel cuore umano. I ricercatori inseriscono le cellule cardiache umane all'interno di questi microcanali per manipolarle e osservarne il comportamento. I ricercatori possono stimolarle in modo indipendente o osservare il loro comportamento in diverse condizioni, come l'introduzione di un farmaco.
“Il cuore su un chip è progettato per mimare le condizioni di un vero cuore”, ha detto il ricercatore del NIST Darwin Reyes, che ha guidato lo sviluppo di questo sistema HoC. “Possiamo manipolare l'ambiente per trasformare le cellule staminali in cellule cardiache e farle contrarre e rilassare, come avviene in un corpo per produrre un battito cardiaco.”
Il “cuore” del sistema organ-on-a-chip risiede in qualcosa chiamato microfluidica, essenzialmente un sistema di tubature in miniatura in cui i ricercatori possono controllare e manipolare con precisione piccole quantità di liquidi. I ricercatori utilizzano la microfluidica per creare modelli avanzati di organi e tessuti su piccoli chip in laboratorio.
“Lo stesso chip può essere utilizzato con molti tipi di cellule”, ha detto Reyes. “In questo progetto in particolare, stiamo utilizzando cellule cardiache, ma è possibile utilizzare una versione personalizzata del sistema con altre cellule per monitorare il loro comportamento in modo visivo ed elettronico.”
Il concetto di “organo su un chip” si estende oltre il cuore. I ricercatori possono creare chip che imitano le condizioni di vari organi, e questi chip possono persino essere interconnessi per formare un sistema multi-organo. Ad esempio, potresti avere un cuore su un chip collegato a un fegato su un chip per simulare come cuore e fegato interagiscono in risposta a determinati farmaci o condizioni mediche. Questo approccio fornisce una comprensione più completa di come diversi organi funzionano insieme nel corpo umano.
Ripensare i Test sugli Animali
Nello sviluppo tradizionale di farmaci, gli animali sono spesso utilizzati come soggetti di prova. Tuttavia, la fisiologia animale non corrisponde perfettamente alla fisiologia umana. Un farmaco può superare un test su un animale, ma poi fallire nei test umani. Ciò non solo ritarda il processo di test del farmaco, ma mette anche a rischio gli esseri umani soggetti di prova degli effetti collaterali del farmaco. Inoltre, c'è un dibattito in corso sulle considerazioni etiche dei test sugli animali.
“L'obiettivo finale è, se possibile, essere in grado di saltare del tutto i test sugli animali”, ha detto Reyes. “Questo accorcerebbe anche il tempo necessario per testare i farmaci, il che sperabilmente renderebbe i farmaci meno costosi.”
Nel 2022, il presidente Joe Biden ha firmato la Legge sulla Modernizzazione della FDA 2.0. Il disegno di legge rivede essenzialmente il Federal Food, Drug, and Cosmetics Act del 1938, che prescriveva test sugli animali per ogni nuovo protocollo di sviluppo di farmaci. Se per il secolo scorso il mandato era inteso a garantire determinati standard di qualità e sicurezza per farmaci e dispositivi medici, i recenti progressi nella scienza hanno iniziato a offrire alternative sempre più valide ai test sugli animali, compresi i sistemi organ-on-a-chip.
Collaborazione Globale per la Standardizzazione della Tecnologia Organ-on-a-Chip
Lo sviluppo di questa nuova tecnologia non avviene in un vuoto. I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su dispositivi microfluidici simili per aprire una nuova era nello sviluppo di farmaci. Tuttavia, per rendere tutto questo realtà, c'è bisogno di standardizzazione: stabilire linee guida e regole coerenti per queste tecnologie. Questo non solo aiuta a ottenere approvazioni normative, ma garantisce anche una migliore accettazione nelle comunità scientifiche, industriali e mediche. Il NIST è un partecipante attivo, insieme a organizzazioni scientifiche di tutto il mondo, nello sviluppo di standard per questa tecnologia.
“Più ricerca collaborativa c'è al di fuori di ciò che viene attualmente fatto e di dove stiamo andando, migliore sarà questa tecnologia”, ha detto Reyes.
Espansione degli Orizzonti Oltre il Focus Cardiovascolare
Mentre HoC è focalizzato sullo sviluppo di farmaci cardiovascolari, le capacità di OoC vanno oltre un singolo organo. Il sistema può essere applicato a vari tipi di cellule, comprese quelle rilevanti per la ricerca sul cancro.
“Siamo nella fase di test della comprensione di come possiamo tracciare il movimento e l'aggressività delle cellule tumorali in tempo reale”, ha condiviso Reyes. “La nostra speranza è che, in futuro, con più test, il sistema potrebbe essere in grado di fornire misurazioni dell'aggressività delle cellule tumorali che potrebbero aiutare nella diagnosi.”
Questa nuova tecnologia, sostenuta da rigorosi standard, segna un passo importante verso un futuro in cui lo sviluppo di farmaci è caratterizzato da precisione, efficienza e maggiori considerazioni etiche.
Riferimenti
Paper: Derrick Butler e Darwin R. Reyes. Sistema Cuore su un Chip: Applicazioni di Modellazione delle Malattie e Screening dei Farmaci. Lab on a Chip. Pubblicato online il 6 febbraio 2024. DOI: 10.1039/D3LC00829K
Glossario
- Microfluidica: Tecnologia che si occupa della manipolazione e controllo di piccoli volumi di liquidi all'interno di canali di dimensioni micrometriche.
- Organ-on-a-chip (OoC): Dispositivo microfluidico progettato per riprodurre le funzioni biologiche di organi umani su un chip in laboratorio, consentendo lo studio delle interazioni cellulari e dei processi fisiologici.
- Stem Cells: Cellule indifferenziate in grado di differenziarsi in vari tipi di cellule specializzate, con il potenziale di rigenerare i tessuti danneggiati.
- FDA (Food and Drug Administration): Agenzia governativa statunitense responsabile della regolamentazione e supervisione della sicurezza e dell'efficacia dei farmaci, dei dispositivi medici, degli alimenti, dei cosmetici e dei prodotti biologici.
- Standardizzazione: Processo di definizione e applicazione di regole e procedure comuni per garantire uniformità e coerenza nei processi, nei prodotti e nei servizi.
- Ricerca Cardiovascolare: Campo della ricerca scientifica che studia le malattie e i disturbi del sistema cardiovascolare, inclusi cuore e vasi sanguigni.
- Multi-organo: Concetto che si riferisce alla creazione di sistemi di chip in laboratorio che simulano più organi umani interconnessi, consentendo lo studio delle interazioni fisiologiche tra di essi.
- Ethical Considerations: Considerazioni etiche che riguardano le implicazioni morali e sociali delle azioni umane, inclusi aspetti come il rispetto per la vita animale e il benessere degli esseri viventi.
- Ricerca Oncologica: Campo della ricerca medica dedicato allo studio del cancro, compresi i meccanismi di formazione, la diagnosi, il trattamento e la prevenzione della malattia.
- Ricerca e Sviluppo Farmaceutico: Processo di scoperta, sviluppo e test di nuovi farmaci per il trattamento di malattie e disturbi, che comprende studi preclinici e clinici.
- FDA Modernization Act: Legge approvata per modificare e aggiornare le disposizioni della legge federale degli Stati Uniti che regolano i prodotti alimentari, i farmaci e i cosmetici, al fine di migliorare l'efficacia e la sicurezza dei farmaci.
