Artificiella organ ska göra djurförsöken onödiga

2019-03-07 06:00  

Odling av mänskliga celler på mikrochip kan minska behovet av djurförsök. ”Vårt mål är att djuren stannar utanför labbet”, säger Geraldine Hamilton på amerikanska Emulate.

Djurförsök väcker starka känslor. Men det är också en central del av läkemedelsutveckling i dag. Djurförsök ska bland annat ge svar på hur specifika läkemedel påverkar kroppen.

Förutom den rent etiska aspekten finns det en annan svårighet med djurförsök: de kan inte med säkerhet säga vad som kommer att hända med ett läkemedel inuti människokroppen, och än mindre i en specifik människokropp.

Det Harvard-avknoppade bolaget Emulate arbetar för att kommersialisera en lösning där celler från mänskliga organ odlas på mikrochip. Tekniken kallas organ-on-a-chip, organ-på-chip, och utvecklas nu i rask takt på flera håll i världen.

Läs mer: Framtidens ”nålpiller” kan ersätta dagens insulinspruta

– Vårt mål är att djuren stannar utanför labbet, sa forskningschefen Geraldine Hamilton under en presentation på vetenskapskonferensen AAAS i Washington i februari, och kallar tekniken för ett fönster in i den mänskliga biologin.

Få försök leder hela vägen till marknaden

Många hoppas på att organ på chip ska förenkla och förbättra utvecklingen av nya läkemedel. I dag är det få av de dyra och tidsödande försöken som faktiskt leder till att ett läkemedel kommer ut på marknaden.

– Vi vill använda chipet sida vid sida med befintliga tester för att öka förmågan att förutse den mänskliga biologin, få nya insikter och minska, förfina och ersätta djurförsöken, förklarar Geraldine Hamilton för Ny Teknik efter presentationen.

De tre huvudkomponenterna i organ-på-chip är ett mikroflödessystem, celler och en hydrogel, som ska ge cellerna en miljö som de kan trivas i.

– Vi skapar ett andra hem för cellerna, där de får allt de behöver för att luras att tro att de befinner sig inuti kroppen så att de beter sig precis som de skulle göra där, berättar Geraldine Hamilton.

Emulate har hittills utvecklat fungerande modeller av lungan, levern och tarmen. Fler modeller är under utveckling.

För att förklara hur det hela funkar kan vi ta deras leverchip som exempel, eftersom levern spelar en central roll för nedbrytningen av läkemedel i kroppen.

Läs mer: Cellink vill skriva ut mänskliga reservdelar

Det genomskinliga chipet består i det här fallet av två flödeskanaler, som är separerade av ett poröst, flexibelt membran. Membranets ovandel är täckt av leverceller, underdelen av leverspecifika endotelceller, som i kroppen är det lager av celler som täcker blodkärlens insida. Under dessa celler finns kupfferceller, som ingår i immunförsvaret. Ovanpå endotelcellerna finns stellatceller.

I den övre kanalen kan en näringsrik vätska flöda igenom, i den undre en blodliknande vätska. Chipets lager ska efterlikna cellagren i en mänsklig lever så pass mycket att det kan användas för att testa hur organet reagerar på ett läkemedel. Eftersom chipet är genomskinligt kan innehållet och vad som händer där relativt enkelt studeras.

Med hjälp av denna teknik och blod från olika patienter har Emulate kunnat identifiera riskpatienter för blodpropp som inte varit kända sedan tidigare, berättar Geraldine Hamilton.

Emulate är inte ensamt om att vilja kommersialisera organ-på-chip. Tyska Tissuse är ett annat exempel.

Svenska forskare ser stora möjligheter med tekniken

På svensk mark pågår mycket forskning inom ramen för den nya organtekniken. Maria Tenje, docent i teknisk fysik vid Uppsala universitet, leder en forskargrupp som utvecklar miniatyriserade system, däribland organ-på-chip.

Läs mer: Svensk startup utvecklar headset mot depression

– Fokus i min forskargrupp är att man ska kunna odla celler i kroppsegna material som kollagen i stället för plastmaterial för att cellerna ska kunna växa tredimensionellt. Då kan de också bete sig mer naturligt och ge oss mer pålitlig information om vad som skulle hända i människokroppen, berättar hon.

Maria Tenje ser fantastiska möjligheter för tekniken. Men vi är långt ifrån att se det som ett verkligt alternativ till djurförsök, säger hon.

– Att få till ett sådant här modellsystem där vi verkligen kan se vad som händer inuti kroppen, inuti patienten, ligger nog 30 år bort. Du behöver alla celltyper för det.

De flesta cellbarriärer har åtminstone tre, fyra eller fem celler som samarbetar och det är dagens system jättelångt ifrån, säger hon.

En annan svensk forskare som sysslar med tekniken är Anna Herland, lektor på avdelningen för mikro- och nanosystem på KTH och Swedish Medical Nanoscience Center på KI. Som en del av ett internationellt forskarlag har hon använt organ-på-chip för att för första gången visa på det komplexa metabola samspelet mellan blodkärl och nervceller i hjärnan.

Hon tror att tekniken kan leda till en bättre och mer detaljerad förståelse för vad som händer inuti kroppen.

– Det mest spännande med den här tekniken är att det är en hybrid mellan avancerad teknik och ett levande system. Vi skapar en slags biohybrid som ger funktioner liknande de i den männskliga kroppen men  som fortfarande är kontrollerade modeller.

En av de stora utmaningarna som Anna Herland ser i närtid är att skapa celler som är representativa för många människor. Vilka celler ska användas, och hur ska de fungera likadant i varje försök så studier och försök blir reproducerbara? Celler är väldigt känsliga för sin miljö.

I kroppen interagerar organ med varandra. Därför är den andra stora utmaningen för organ-på-chip att sätta upp parallella system, som kopplas samman och också kan interagera. Det är en ren teknisk fråga att lösa, enligt Anna Herland.

– Att bygga upp sjukdomsmodeller med celler från specifika patienter pågår just nu. Det kommer att vara en nisch och fungera som ett komplement till dagens metoder, tror jag.

Fortfarande mycket kvar att göra

Ytterligare en svensk forskare på området är Daniel Aili, biträdande professor, vid Linköpings universitet. Hans forskargrupp har utvecklat material för tredimensionell cellodling för att få mer vävnadslika miljöer, vilket är kritiskt för att cellerna i organ på chip ska trivas.

Vid organ-på-chip måste mikroflödessystemet, cellerna och hydrogelerna klaffa och hänga ihop, förklarar Daniel Aili. Han har nyligen utvecklat en ny metod för att göra vattenrika material, hydrogeler, som bland annat leverceller ska trivas bra i.

– Vi gör det här för att vi ser ett stort behov av att ersätta djurmodeller och ersätta dem med mer humanliknande system, säger han.

Vad är de största utmaningarna med tekniken, anser du?

– På materialsidan handlar det mycket om att kunna göra tillräckligt fysiologiskt relevanta, robusta och reproducerbara 3d-miljöer som kan resultera i bra vävnadsmodeller. Det finns också stora utmaningar kring automatisering och parallellisering av systemen, samt möjligheter att kunna läsa av precis vad som händer i chipen. Möjligheter att kunna bygga in fungerande realtidssensorer för att kunna följa komplexare skeenden och för mäta hur cellerna reagerar på tillförsel av till exempel en läkemedelssubstans eller annat stimuli är centralt och där finns mycket kvar att göra. 

De sensorer som integreras i organ-på-chip i dag är i regel ganska primitiva, förklarar Daniel Aili. De gör det möjligt att mäta enklare parametrar i realtid, som glukos, men det finns ett behov av att kunna titta på svårare parametrar, som proteinavtryck. 

– Fler sensorer generar också komplexa datamängder som måste processas. Det sker en spännande utveckling inom alla dessa fält, säger han.

FDA och Astra Zeneca i samarbete med Emulate

Emulate har flera samarbeten kring sin teknik. Ett är med livsmedels- och läkemedelsmyndigheten FDA, som vill använda bolagets chip för att undersöka potentiellt skadliga kemikalier och biologiska faror i mat, kosmetika och kosttillskott.

Astra Zeneca vill använda Emulates chip för att utveckla effektivare och säkrare läkemedel. Chipen ska också användas för forskning på den internationella rymdstationen ISS, för att bättre förstå vad som händer med tarmbarriären och hur den svarar på bakteriella angrepp i mikrogravitation.

För Emulate är framtidsvisionen skräddarsydda, individanpassade sjukdomsbehandlingar. Det ska vara solklart att ett specifikt läkemedel fungerar precis som det ska på just dig.

Var tror Geraldine Hamilton att organ-på-chip om fem år?

– Vi vill visa att vi inte bara sysslar med cool biologi. Vi vill visa hur den här tekniken kan påverka patienter och vilka alternativ den erbjuder som inte andra metoder kan ge.

Ania Obminska

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt