Soluzioni microfluidiche "Body-On-Chip" per sfruttare la stampa 3D

La necessità di migliori modelli di laboratorio corporeo

Trovare e testare nuovi farmaci è sempre un processo complesso e costoso. Storicamente, dipendeva interamente dalla sperimentazione dei nuovi prodotti su animali e esseri umani.

Più recentemente, sono stati utilizzati test in vitro per vedere cosa potrebbe fare un potenziale nuovo farmaco a specifici tipi di cellule.

Tuttavia, la rilevanza degli studi in vitro è sempre incerta, poiché l’intero corpo, animale o umano, è molto diverso da una semplice coltura cellulare. Una sostanza chimica antitumorale potrebbe essere assorbita dall’intestino, trasformata in una nuova molecola dal fegato e avere effetti inaspettati sul cervello. Nessuno di questi processi verrà identificato correttamente semplicemente con una coltura di cellule tumorali.

Questa non è solo una questione accademica, poiché molti potenziali farmaci falliscono nella fase I degli studi clinici, rivelando problemi di sicurezza che gli studi sugli animali e in vitro non sono riusciti a identificare abbastanza presto.

Ciò, a sua volta, costa molto denaro e aumenta il costo dei futuri farmaci salvavita.

Fonte: Sportello di ricerca

Fortunatamente, una nuova tecnologia potrebbe venire in soccorso, con una simulazione molto più accurata di un corpo intero in ambienti di laboratorio.

Organo su chip

I sistemi “Body-on-a-chip”, chiamati anche “human-on-a-chip” o microfisiologici, cercano di replicarsi completamente o in parte di un corpo con colture cellulari.

Per fare ciò, collega insieme più organi in vitro in miniatura (“organ-on-a-chip”).

Fonte: Harvard 

Organo-on-a-chip è una tecnologia che utilizza la microfluidica per fornire nutrienti alla coltura cellulare, creando una simulazione realistica della diffusione di nutrienti e farmaci in un organo reale.

Ad esempio, ciò può creare un modello di “vie aeree su chip” che simula il funzionamento delle vie aeree umane, nonché modelli di intestino umano, renes, o midollo osseo.

Dall'organo su chip al corpo su chip

Combinando più sistemi organ-on-a-chip, è possibile iniziare a creare parti di un corpo intero e considerare correttamente il processo biologico che un farmaco effettuerebbe in un paziente reale.

Ciò può implicare meccanismi biologici diversi come la risposta immunitaria, l’assorbimento dei farmaci nell’intestino, nei polmoni o nei vasi sanguigni, la contrazione muscolare, la metabolizzazione del fegato, ecc.

Fonte: Harvard

Ancora una volta, questo è fondamentale, poiché la maggior parte degli effetti dei farmaci (positivi e negativi) possono essere compresi solo se si prendono in considerazione le reazioni di molti organi diversi.

Progettazioni body-on-chip

Non tutti i body-on-chip sono uguali ed esistono molti progetti diversi per l'organo su chip utilizzato per costruire l'intero sistema. Ognuno ha i suoi vantaggi e viene utilizzato in modo diverso dai ricercatori medici.

Un modo per classificarli è in base al tipo di cellule e tessuti utilizzati. Alcuni organ-on-chips utilizzano un solo tipo di cellula (monocoltura), supportato da microstrutture artificiali o strati di collagene. Altri hanno più tipi di cellule assemblati insieme, in sferoidi o in strutture 3D più complesse.

Fonte: Nature.com

Un altro metodo di categorizzazione esamina il modo in cui i fluidi vengono trasferiti all'interno e tra gli organi su chip. Possono condividere lo stesso fluido ambientale o essere collegati tramite un design personalizzato di tubi che replicano il sangue o il sistema linfatico. Il flusso del liquido può essere continuo o controllato mediante trasferimenti robotici di fluidi.

Possono anche essere separati dal fluido circolante dei nutrienti e dei farmaci mediante una membrana porosa o uno strato di cellule (endotelio).

Fonte: Nature.com

Come puoi immaginare, questa diversità di design crea combinazioni possibili quasi infinite. Quindi, sebbene già molto utili, i ricercatori sono solo all’inizio della progettazione di organ-on-chips e body-on-chips e stanno ancora sperimentando per trovare l’equilibrio ottimale tra repliche perfette, affidabilità e costi di produzione.

Mercato degli organi su chip

L’organo su chip è una nuova tecnologia che solo ora sta raggiungendo la maturità sufficiente per uscire dal laboratorio di ricerca ed entrare nel processo di sviluppo dei farmaci. Nel 2023, era un mercato da 103 milioni di dollari.

Stime messe il mercato degli organi su chip a 303 milioni di dollari entro il 2026, con una rapida crescita derivante dalla sostituzione dei test sugli animali che prevede una stima per il 2027 a 529 milioni di dollari. Altre previsioni lo vedono in crescita fino a 1.4 miliardi di dollari entro il 2032, facendo più di 10 volte in 8 anni.

Il body-on-chip è ancora più recente e trarrà grandi benefici dall’innovazione tecnologica per migliorarne le prestazioni e l’affidabilità e ridurre i costi.

Applicazioni body-on-chip

farmacocinetica

Una caratteristica fondamentale dei farmaci, che ne influenza profondamente l'efficacia e la potenziale tossicità, è la "farmacocinetica". In parole povere, indica la velocità con cui il farmaco si diffonde nell'organismo e nei singoli tessuti di ciascun organo.

Questo è difficile da prevedere su modelli cartacei o computerizzati, poiché dipende da come l’intestino, il flusso sanguigno e gli organi reagiranno a una sostanza chimica specifica.

Per questo motivo, sono necessari chip corporei il più completi possibile, con un punto di ingresso del farmaco che varia a seconda che venga somministrato per via orale (stomaco e intestino), tramite aerosol (polmoni) o per via endovenosa (flusso sanguigno).

Fonte: Nature.com

Medicina personalizzata

Un’altra grande promessa del body-on-chip è il potenziale della medicina personalizzata. Sempre più spesso, i ricercatori e le startup biotecnologiche stanno cercando di sviluppare farmaci non solo per gli “esseri umani” nel loro complesso, ma adattati alle sottocategorie (sesso, ascendenza, età, profilo genetico, ecc.) fino al singolo paziente.

Grazie alla loro elevata replicabilità, all’assenza di rischi per la salute e ai costi inferiori, possono vantaggiosamente sostituire molti studi clinici nella messa a punto di un farmaco nelle prime fasi di sviluppo.

Ad esempio, potrebbero aiutare a identificare farmaci candidati alternativi quando sorgono problemi di sicurezza, soprattutto se il problema riguarda solo una sottopopolazione specifica.

Fonte: Nature.com

Inizialmente, i body-on-chips dovranno dimostrare la loro superiorità rispetto agli studi in vitro e sugli animali esistenti.

Tuttavia, l’obiettivo finale sarà la replica accurata degli studi clinici sui pazienti in vivo.

In un futuro ancora più lontano, potremmo immaginare che i body-on-chip contenenti le cellule del paziente stesso possano essere utilizzati per prevedere in anticipo la reazione a vari farmaci e determinare il metodo terapeutico migliore.

Stampa 3D per contribuire alla realizzazione di body-on-chips

Gli organi reali sono strutture 3D complesse con un intricato mix di cellule e tessuti diversi.

Affinché l'organo su chip che costituisce l'intero body-on-chip possa simulare realisticamente il vero affare, è necessario che il processo di produzione crei una replica quasi esatta dei tessuti dell'organo reale. O, in futuro, forse anche organi completamente cresciuti.

Ciò sarà possibile solo grazie a una tecnologia emergente chiamata bioprinting.

Riutilizza il principio chiave della stampa 3D: un ugello è controllato da un computer e deposita il materiale desiderato nel posto giusto, poco a poco. Ma invece di depositare plastica o metallo, deposita cellule viventi.

La bioprinting si è evoluta parallelamente alla tecnologia degli organi e del body-on-chip, concentrandosi inizialmente maggiormente sulla risoluzione della difficoltà tecnologica nella “stampa” con le cellule.

Attualmente, l’industria si affida ancora principalmente a impalcature artificiali per dare struttura alle celle stampate. Tuttavia, sono stati compiuti progressi nella creazione di organi stampati in 3D più simili a quelli organici.

Quindi, se l'attuale organo su chip ricrea principalmente un modello dei multistrati che formano i tessuti di un organo, combinandolo con metodi avanzati di bioprinting si potrebbero creare simulazioni ancora più realistiche.

Se vuoi leggere per saperne di più, abbiamo approfondito il bioprinting nei nostri articoli”Organi su richiesta: i migliori titoli di biostampa 3D" e "Una nuova tecnica consente la stampa 3D del tessuto cerebrale funzionale".

Aziende di bioprinting e body-on-chip

1. Gruppo BICO AB (BICO.ST)

Nel 2021, Cellink è stata ribattezzata Gruppo BICO, in seguito all'acquisizione di Citena strumenti di automazione del laboratorio nel 2019 e Scienza strumenti di misurazione delle microgocce ad alta precisione nel 2020.

Cellink è ancora il marchio per la parte aziendale dedicata alla biostampa.

Pur non essendo l’unico nel settore, Cellink è chiaramente un produttore di apparecchiature per la biostampa molto avanzato, con l’obiettivo di fornire ricercatori nel campo della biotecnologia e della biomedicina.

Nel lungo termine, è probabile che le aziende di bioprinting si trasformino da semplici fornitori di strumenti per i ricercatori a fornitori di terapie di bioprinting per i pazienti delle aziende farmaceutiche. Questo, a sua volta, cambierà radicalmente il numero di bioprinter in uso e, soprattutto, il volume di materiali di consumo venduti ogni mese.

Questo è lo stesso processo avvenuto per altri produttori di apparecchiature per biolab, comprese le macchine per il sequenziamento del genoma di PacBio (PACB) e Illumina (ILMN), che hanno finito per realizzare l'80% dei loro ricavi dalle vendite ricorrenti di materiali di consumo.

2. organovo

La tecnologia proprietaria di Organovo utilizza tessuti umani stampati in 3D per imitare aspetti chiave dei tessuti umani reali, tra cui composizione, architettura, funzione e malattia.

Questo è stato utilizzato per trovare nuove molecole con potenziale terapeutico. Convalidando innanzitutto le potenziali molecole nel modello di tessuto 3D, l'azienda spera di ridurre il rischio di fallimenti negli studi clinici, grazie a un modello cellulare in vitro più realistico prima che venga effettuato qualsiasi test sugli esseri umani.

La pipeline di Organovo è focalizzata sulla malattia infiammatoria intestinale (IFD) e sulla fibrosi epatica, con un programma nella fase 2/3 della sperimentazione clinica e uno nella fase 1. I risultati POC della fase 2a sono previsti per la seconda metà del 2.

Fonte: organovo

Ci sono stati 2.1 milioni di casi negli Stati Uniti nel 2022 e 13 milioni di casi a livello globale di colite ulcerosa, una forma di IFD, che rappresenta un mercato di 6.6 miliardi di dollari. Si prevede inoltre che continuerà a crescere a un CAGR del 6% fino al 2032, fino a raggiungere un mercato da 12 miliardi di dollari.

Poiché Organovo utilizza una simulazione realistica del tessuto intestinale, con epitelio polarizzato e strato interstiziale, è probabile che abbiano una buona rappresentazione in vitro di come il loro farmaco agirà per un paziente.

Fonte: organovo

È probabile che man mano che il body-on-chip diventerà una tecnologia più matura, l’approccio di Organovo all’utilizzo di tessuti umani stampati in 3D diventerà ancora più probabile nel prevedere i primi potenziali problemi nello sviluppo di farmaci.

Ciò, a sua volta, dovrebbe aiutarla ad accelerare la scoperta di farmaci e a utilizzare il proprio capitale in modo più efficiente rispetto ai concorrenti che si affidano ancora a metodi più vecchi.