In un importante passo avanti nello sviluppo di farmaci, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato uno strumento per costruire un sistema noto come heart-on-a-chip (HoC).
Questa tecnologia cerca di affrontare i limiti dello sviluppo di farmaci cardiovascolari convenzionali, che si basa fortemente sulla sperimentazione animale. Replicando modelli simili a quelli umani per lo studio delle malattie cardiovascolari, il sistema HoC mantiene la promessa di contribuire a sostituire la sperimentazione sugli animali, abbreviando i tempi di sviluppo dei farmaci e riducendo i costi. I risultati del team del NIST sono stati pubblicati nel Laboratorio su un chip.
Credito immagine: N. Hanacek/NIST
L’HoC è un dispositivo che imita le complesse interazioni delle cellule all’interno del cuore su un piccolo chip e fa parte del più grande suite organ-on-a-chip (OoC).. Il design effettivo dell’heart-on-a-chip varia, ma in genere è un chip piccolo, trasparente o semitrasparente costituito da una rete di microcanali stampati su uno strato di polimero.
Questi microcanali sono progettati in modo complesso per imitare i vasi sanguigni presenti nel cuore umano. I ricercatori inseriscono cellule cardiache umane all’interno di questi microcanali per manipolare e osservare il loro comportamento. I ricercatori possono stimolarli in modo indipendente o osservare il loro comportamento in diverse condizioni, come l’introduzione di un farmaco.
L’heart-on-a-chip è costituito da una rete di microcanali stampati su uno strato di polimero. Le cellule cardiache vengono posizionate all’interno di questi microcanali per manipolare e osservare il loro comportamento. Crediti: N. Hanacek/NIST
“Il cuore su chip è progettato per imitare le condizioni di un cuore reale”, ha affermato 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 fanno in un corpo per produrre un battito cardiaco”.
Il “cuore” del sistema organo su chip risiede in qualcosa chiamato microfluidica, che è essenzialmente un sistema idraulico 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.
“Il chip stesso può essere utilizzato con molti tipi di cellule diversi”, ha affermato 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 visivamente ed elettronicamente.”
Il concetto di “organo su chip” si estende oltre il semplice cuore. I ricercatori possono creare chip che imitano le condizioni di vari organi e questi chip possono anche essere interconnessi per formare un sistema multi-organo. Ad esempio, potresti avere un cuore su chip collegato a un fegato su chip per simulare il modo in cui il cuore e il fegato interagiscono in risposta a determinati farmaci o condizioni mediche. Questo approccio fornisce una comprensione più completa di come i diversi organi funzionano insieme nel corpo umano.
Ripensare la sperimentazione sugli animali
Nello sviluppo di farmaci tradizionali, gli animali vengono spesso utilizzati come soggetti di prova. Tuttavia, la fisiologia animale non corrisponde perfettamente alla fisiologia umana. Un farmaco può superare un test su un soggetto animale ma può poi fallire nella sperimentazione umana. Ciò non solo ritarda il processo di test antidroga, ma espone anche i soggetti umani al rischio di effetti avversi del farmaco. Inoltre, è in corso un dibattito sulle considerazioni etiche della sperimentazione animale.
“L’obiettivo finale è, se possibile, riuscire a evitare del tutto la sperimentazione sugli animali”, ha affermato Reyes. “Ciò ridurrebbe anche il tempo necessario per testare i farmaci, il che, si spera, farebbe sì che i farmaci costino meno”.
Nel 2022, il presidente Joe Biden ha convertito in legge il Legge sulla modernizzazione della FDA 2.0. Il disegno di legge sostanzialmente rivede il Federal Food, Drug, and Cosmetics Act del 1938, che imponeva la sperimentazione sugli animali per ogni nuovo protocollo di sviluppo di farmaci. Mentre nel secolo scorso il mandato era inteso a garantire determinati standard di qualità e sicurezza per farmaci e dispositivi medici, i recenti progressi della scienza hanno iniziato a offrire alternative sempre più praticabili alla sperimentazione animale, 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 nel vuoto. I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su dispositivi microfluidici simili per inaugurare una nuova era nello sviluppo di farmaci. Tuttavia, affinché tutto ciò diventi realtà, è necessaria la standardizzazione, stabilendo linee guida e regole coerenti per queste tecnologie. Ciò non solo aiuta a ottenere approvazioni normative, ma garantisce anche una migliore accettazione nelle comunità scientifiche, industriali e mediche. Il NIST partecipa attivamente, insieme alle organizzazioni scientifiche di tutto il mondo, al sviluppare standard per questa tecnologia.
“Quanto più ricerca collaborativa ci sarà al di fuori di ciò che viene fatto attualmente e della direzione in cui ci stiamo dirigendo, tanto migliore sarà questa tecnologia”, ha affermato Reyes.
Orizzonti in espansione oltre il focus cardiovascolare
Mentre HoC si concentra sullo sviluppo di farmaci cardiovascolari, le capacità di OoC si estendono oltre un organo specifico. Il sistema può essere applicato a vari tipi di cellule, comprese quelle rilevanti per la ricerca sul cancro.
“Siamo nella fase di prova per capire come possiamo monitorare 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 possa essere in grado di fornire misurazioni dell’aggressività delle cellule tumorali che potrebbero aiutare con la diagnosi”.
Questa nuova tecnologia, sostenuta da standard rigorosi, segna un passo importante verso un futuro in cui lo sviluppo dei farmaci sarà caratterizzato da precisione, efficienza e maggiori considerazioni etiche.
Articolo: Derrick Butler e Darwin R. Reyes. Sistema Heart-on-a-Chip: applicazioni di modellazione delle malattie e screening dei farmaci. Laboratorio su un chip. Pubblicato online il 6 febbraio 2024. DOI: 10.1039/D3LC00829K
Fonte: NIST
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