211service.com
De siliconen cavia
Op het eerste gezicht zou de chip van Michael Shuler kunnen doorgaan voor elke kleine siliciumplaat die uit een computer of mobiele telefoon wordt gehaald. Waardoor het des te misplaatst lijkt op een werkbank in het laboratorium van de Cornell University-onderzoeker, omringd door petrischalen, bekers en andere bio-rommel en gemonteerd in een plastic bak als een ontlede muis. De chip lijkt op een soort van levensondersteuning te zitten, met roze vloeistof die er door buisjes in wordt gepompt. Shuler wijst methodisch met een potlood de componenten van de chip aan: hier is de lever, de longen zijn hier, dit is vet. Vervolgens injecteert hij een experimenteel medicijn in het imitatiebloed dat door deze organen en weefsels stroomt - eigenlijk kleine doolhoven van kronkelende pijpen en kamers vol met levende cellen. De verbinding zal reageren met andere chemicaliën, zich ophopen in sommige organen en snel door andere gaan. Na enkele uren zullen Shuler en zijn team dichter bij het beantwoorden van een belangrijke vraag zijn: zal het middel, wanneer het aan een echte mens wordt gegeven, waarschijnlijk meer kwaad dan goed doen?
Dit zogenaamde dier op een chip is ontworpen om een enorm obstakel voor het ontdekken van nieuwe medicijnen te helpen overwinnen: er is momenteel geen snelle, betrouwbare manier om te voorspellen of een experimentele verbinding toxische bijwerkingen zal hebben - of het mensen ziek zal maken in plaats van te maken ze goed. Testen op dieren is het beste wat fabrikanten kunnen doen, maar het is traag, duur, vaak onnauwkeurig en voor velen verwerpelijk. Om het aantal dierproeven te minimaliseren, screenen farmaceutische bedrijven routinematig kandidaat-geneesmiddelen met behulp van celculturen, in wezen klompjes levende menselijke of dierlijke cellen die groeien in petrischalen of reageerbuizen. De aanpak is relatief goedkoop en gemakkelijk, maar het geeft slechts een vage voorspelling van wat er met een verbinding zal gebeuren tijdens de omslachtige reis door de weefsels en organen van een dier.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juni 2004
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
Shuler behoort tot een handvol onderzoekers die geavanceerdere celculturen ontwikkelen die de complexe organen en weefsels van het lichaam simuleren. MIT-weefselingenieur Linda Griffith heeft bijvoorbeeld een chip gebouwd die sommige functies van een lever nabootst, terwijl Shuichi Takayama, een biomedisch ingenieur aan de Universiteit van Michigan, er een heeft gebouwd die het gedrag van het vaatstelsel imiteert (zie Andere Animal-on-a-Chip-inspanningen, hieronder). Maar hoewel dergelijke inspanningen overtuigende analogieën van delen van menselijke of dierlijke lichamen hebben opgeleverd, is Shuler een stap verder gegaan. In samenwerking met collega Greg Baxter, die het in Beverly Hills, CA gevestigde Hurel lanceerde om de technologie te commercialiseren, heeft Shuler replica's van meerdere dierlijke organen op een enkele chip gecombineerd, waardoor een ruwe stand-in voor een heel zoogdier is ontstaan. Andere versies van Shuler's chips proberen nog verder te gaan en gebruiken menselijke cellen om de effecten van een verbinding in het lichaam getrouwer te reproduceren.
Geneesmiddelenbedrijven zijn geïnteresseerd, en geen wonder: ze maken routinematig duizenden, zelfs tienduizenden verbindingen in de hoop er een te vinden die effectief is tegen een bepaald doelwit. Chips zoals die van Shuler en Baxter kunnen een goedkope, snelle en nauwkeurige manier zijn om verbindingen te verwijderen die uiteindelijk giftig zouden blijken te zijn, waardoor bedrijven jaren en miljoenen dollars zouden besparen op de ontwikkeling van waardeloze medicijnen. Volgens een recente studie van het Center for the Study of Drug Development van de Tufts University besteedt de geneesmiddelenindustrie voor elk medicijn dat op de markt komt gemiddeld $ 467 miljoen aan testen op mensen - het overgrote deel van het geld gaat naar medicijnen die falen, ofwel omdat ze zijn niet effectief of omdat ze giftig blijken te zijn. Als er meer mislukkingen konden worden geïdentificeerd voordat dierproeven begonnen, zouden bedrijven meer van hun tijd en geld kunnen besteden aan de winnaars. Iedereen in de industrie hoopt surrogaten voor dieren en mensen te hebben als het gaat om het testen van verbindingen, zegt Jack Reynolds, hoofd veiligheidswetenschappen bij Pfizer, 's werelds grootste farmaceutische bedrijf. Dit is het soort technologie dat we in onze gereedschapskist zouden willen hebben.
| ANDERE DIEREN-OP-A-CHIP INSPANNINGEN | ||
| Projectleider | Groep | Technologie |
| Dawn Applegate | RegeneMed (San Diego, Californië) | Chips bekleed met menselijk leverweefsel voor screening op geneesmiddelen |
| Linda Griffith | MET (Cambridge, Massachusetts) | Lever op een chip voor drugsscreening |
| Paul Kosnik | Weefsel Genesis (Honolulu, HALLO) | Chips met vaat- en ligamentcellen voor het ontwikkelen van weefselvervanging |
| Shuichi Takayama | Universiteit van Michigan (Ann Arbor, Michigan) | Celcultuurchips met kanalen die het vaatstelsel nabootsen |
| William Wang | Pharmacom (Iowa City, IA) | Chips voor het screenen van medicijnen die cellen uit de hersenen en andere organen bevatten |
gif pillen
De gereedschapskisten van medicijnontwikkelaars zijn al gevuld met een groot aantal eenvoudige celkweektests die erop gericht zijn snel te voorspellen welke toekomstige medicijnen toxische bijwerkingen zullen hebben. Het probleem met deze tests is dat ze vaak te gemakkelijk. Een typisch scenario: onderzoekers spuiten een oplossing met een experimenteel medicijn in petrischalen waar levende cellen uit de longen van een rat drijven in een voedingsrijke bouillon. Als de cellen afsterven, leggen de onderzoekers de verbinding op tafel en proberen ze een andere; als de cellen overleven, beginnen ze aan het langdurige en dure proces van het testen van de verbinding op muizen, ratten en andere dieren. Maar het falen van de verbinding om de longcellen te doden, biedt weinig zekerheid dat mensen er niet ziek van worden.
Wanneer een persoon een medicijn neemt, gaat het actieve ingrediënt op een wilde rit om de doelcellen te bereiken: het kan worden opgenomen door de darm, afgebroken door enzymen in de lever, wekenlang opgepot door vetcellen, gescreend door een brein membraan, en door de hele beproeving heen en weer geslingerd door het bloed. Wanneer dat gebeurt, kan een anderszins onschadelijke verbinding zich ophopen in een bepaald orgaan totdat het toxische niveaus bereikt. Of het kan helemaal worden omgezet in een andere verbinding, die zelf giftig is. Reynolds van Pfizer schat dat van de kandidaat-geneesmiddelen die uiteindelijk onveilig blijken te zijn, ongeveer 40 procent hun toxiciteit krijgt nadat ze zijn omgezet in andere verbindingen in het lichaam.
Een reden waarom conventionele celcultuurtesten onderzoekers vaak misleiden, is dat ze niet het complexe brouwsel van enzymen en andere chemicaliën presenteren die een medicijn kan tegenkomen en waarmee het kan reageren in de verschillende weefsels van het lichaam. En eenvoudige celculturen onthullen niet hoeveel van een medicijn daadwerkelijk in verschillende soorten cellen terechtkomt, in welke vorm en voor hoe lang. Inderdaad, bijna de helft van de medicijnen die veilig lijken in celcultuurtesten, blijken toxisch te zijn in dierproeven; en nog meer falen wanneer ze de complexe weefsels en organen van mensen tegenkomen. Onderzoekers hopen echter dat celculturen die de omstandigheden in het lichaam beter nabootsen, het veel beter zullen doen om giftige medicijnen op te sporen, waardoor de afhankelijkheid van dier- en menstesten wordt verminderd. De heilige graal van de industrie is om toxiciteit uit een celcultuur te kunnen voorspellen, zegt Peter Lord, hoofd mechanistische toxicologie in preklinische ontwikkeling bij Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.
Klein sanitair
Michael Shuler is een 57-jarige, slungelige professor in de chemische technologie die sinds de middelbare school een neveninteresse in biologische processen koestert. In 1989 was hij geïnteresseerd geraakt in toxiciteitstesten, en hij had nagedacht over de onbetrouwbaarheid van conventionele celculturen toen een idee bij hem opkwam: kun je een celcultuur maken die de reis door de verschillende organen repliceert? Hij herkende het als een chemisch technisch probleem: glazen kamers die met verschillende soorten cellen waren bekleed en via buizen met elkaar en met een pomp waren verbonden die vloeistof er doorheen stuurde, zouden een veel realistischer lichaam simuleren, en tests die ze gebruiken, zouden kunnen voorspellen wat er gebeurt in levende dieren veel nauwkeuriger.
Na enkele maanden hadden Shuler en studenten een conglomeraat van cellen en leidingen op een tafel geconstrueerd die een ruw werkmodel van een reeks zoogdierorganen opleverden. Het functioneerde min of meer, maar Shuler wist dat er een groot probleem was met zijn betrouwbaarheid: bijna alle chemie in het lichaam vindt plaats in weefsels vol met minuscule kanalen en kamers, waar kritische reacties afhangen van het vermogen van verschillende chemicaliën om zich in sommige plaatsen en diffuus in andere, gedeeltelijk afhankelijk van de microscopische geografie. Alles in grote bekers mengen zou dat delicate evenwicht verstoren. Bovendien zou het systeem bij deze omvang niet praktisch of goedkoop genoeg zijn voor grootschalige tests.
Ondertussen was moleculair bioloog Greg Baxter net als onderzoekswetenschapper bij Cornell's Nanobiotechnology Center gekomen. Zijn specialiteit was microfluïdica, in wezen microscopisch sanitair op een chip. Op zijn tweede dag knoopte hij Shuler dicht in zijn laboratorium, zich afvragend of hij projecten had die baat zouden kunnen hebben bij ultraminiaturisatie. Grappig dat je het vraagt, zei Shuler.
Er waren slechts twee vergaderingen nodig om het basischipontwerp uit te werken en een jaar om het eerste prototype te produceren. Om een van de apparaten te bouwen, kerven de onderzoekers minuscule greppels die eruitzien als vage krassen in een siliciumchip ter grootte van een miniatuur; deze sleuven dienen als vloeistofvoerende leidingen. Het produceren van microfluïdische kenmerken op chips voor het testen van chemische reacties en het nabootsen van biologische processen is niet nieuw. Maar door hun vaardigheden op het gebied van chemische technologie en microfabricage te combineren, voegen Shuler en Baxter een belangrijke wending toe: ze hebben de afmetingen, lengtes en lay-out van alle sleuven ontworpen in een poging om de vloeistofstromen en chemische blootstellingen die cellen ervaren in echte organen.
De greppels fungeren als surrogaatbloedvaten en vervoeren chemicaliën in en tussen de ersatz-organen van de chip, die zelf zijn samengesteld uit greppels die strak spiraalvormig zijn of in dichte klonters van ongeveer een halve centimeter breed zijn gekronkeld. Duizenden levende cellen zijn bevestigd aan de bodem van de loopgraven van elk orgaan. Een externe pomp ter grootte van een baksteen circuleert een voedingsrijke vloeistof - een stand-in voor bloed - door de chip. Wanneer een testverbinding aan de vloeistof wordt toegevoegd, is zijn siliciumreis ongeveer analoog aan wat het zou ondergaan in een levend zoogdier, dankzij 13 jaar gehannes met de grootte, het patroon en de onderlinge verbindingen van elk orgaan, en met de maten en vormen van de verschillende loopgraven. We wilden dat de omgeving van de cellen zo realistisch mogelijk was, van de levering van voedingsstoffen en de verwijdering van afvalproducten tot de mechanische stress die het ervaart, zegt Shuler.
Nadat een testverbinding enkele uren door de chip heeft gecirculeerd, worden de cellen in de chip gecontroleerd, hetzij met een microscoop, hetzij via ingebouwde sensoren die kunnen testen op zuurstof en andere indicatoren. Nemen de cellen de verbinding op? Maakt het ze ziek of doodt het hen? Net als bij een echt dier speelt elk orgaan of weefsel een specifieke rol in de chip. De lever en darmen breken sommige verbindingen bijvoorbeeld af in kleinere moleculen, terwijl het vet dat niet alleen met cellen, maar ook met een sponsachtige gel vastzit, verbindingen vasthoudt, waardoor ze later kunnen weglekken. Een doelorgaan of weefsel wordt gewoonlijk opgenomen om de uiteindelijke effecten van de verbinding aan te tonen; dit kan een kankertumor zijn, of een bijzonder kwetsbaar weefsel, zoals de longen of het beenmerg.
De chips moeten natuurlijk uitgebreid worden getest voordat farmaceutische bedrijven ze op grote schaal gaan gebruiken. Toch zijn de eerste tekenen bemoedigend. Shuler deed een experiment met naftaleen, een verbinding die wordt gebruikt in mottenballen en pesticiden. Overmatige blootstelling veroorzaakt longschade, maar dat zou je niet weten uit standaard celkweektesten. Dat komt omdat de boosdoener niet naftaleen zelf is, maar eerder twee chemicaliën die door de lever worden geproduceerd wanneer het naftaleen afbreekt. Als je dat wist en die bijproducten rechtstreeks op longcellen in kweek zou spatten, zou je zo'n ernstige reactie waarnemen dat je zou concluderen dat zelfs een lichte blootstelling aan naftaleen extreem gevaarlijk is. Maar dat is ook verkeerd; het blijkt dat vetcellen veel van de giftige stoffen uit het systeem halen. De chip van Shuler bootst deze reeks gebeurtenissen op overtuigende wijze na, wat een realistische meting van de schade oplevert.
Een dergelijke nauwkeurige simulatie belooft farmaceutische bedrijven te helpen hun screening van kandidaat-geneesmiddelen te verbeteren en minder tijd en geld te verspillen aan degenen die uiteindelijk niet zullen slagen voor dierproeven. Volgens Baxter zijn de chips nu klaar voor een dergelijke toepassing en zijn zes grote bedrijven momenteel in gesprek met Hurel over adoptie van de technologie. Shuler, bijgestaan door een team van studenten en medewerkers bij Cornell en elders, werkt aan het verder verkleinen en automatiseren van de technologie. Het doel: een bank van 96 chips ter grootte van een vel papier die wordt aangesloten op een robotlaboratoriumopstelling die zeer snel testmedicijnen toevoegt en de resultaten bewaakt. Het systeem kan niet alleen conventionele celculturen vervangen, maar ook de afhankelijkheid van dierproeven verminderen, waarbij onderzoekers een groot aantal dieren moeten gebruiken om verschillende doses van een medicijn te testen, en die dieren in de loop van de tijd moeten volgen om subtiele bijwerkingen op te merken. We hebben het over het uitvoeren van een test in een of twee dagen die maanden zou duren met dieren, zegt Shuler. Shuler verwacht een productieprijs per chip van ongeveer $ 50, compleet met cellen, in vergelijking met de honderden of zelfs duizenden dollars die nodig zijn om een enkel proefdier te verwerven en te onderhouden.
soort van mens
Chips die het functioneren van dieren nabootsen, zullen waarschijnlijk de eerste versies van de technologie zijn die een commerciële impact hebben. Maar de hoop is dat zodra die de resultaten van dierproeven nauwkeurig blijken te voorspellen, versies van de mens-op-een-chip een goede indicatie zullen geven van hoe giftig een medicijn waarschijnlijk zal blijken te zijn in proeven bij mensen.
Dierproeven spelen die rol nu, maar niet zo goed. Vier van de vijf geneesmiddelen die dierproeven doorstaan, falen in klinische proeven bij mensen, meestal vanwege veiligheidsproblemen. Een deel van het probleem is dat muizen je niet kunnen vertellen dat ze hoofdpijn, wazig zicht of maagkrampen hebben. Maar het grotere probleem is simpelweg dat de organen van dieren, en de processen die daarin plaatsvinden, niet identiek zijn aan die van mensen. Niemand weet hoeveel medicijnen die veilig zouden zijn geweest voor mensen, werden opgeborgen omdat ze sommige dieren ziek maakten. (Penicilline is bijvoorbeeld giftig voor cavia's, maar is gelukkig ook op muizen getest.)
Chips die gesimuleerde menselijke weefsels en organen bevatten, zouden onderzoekers ook in staat kunnen stellen ingewikkelde multidrug-schema's uit te werken voor de behandeling van verschillende ziekten zonder patiënten door pijnlijke proefondervindelijke rondes te leiden. Shuler richt zich bijvoorbeeld op antikankercocktails. Hij verwerkt menselijke cellen van baarmoeder- of darmtumoren in zijn chips, waardoor een realistischer model van een bepaald type kanker ontstaat. Hij kan dan het vermogen testen van verschillende combinaties van chemotherapiemedicijnen om de cellen te doden zonder de rest van het systeem ziek te maken. Om goede combinatietherapieën te vinden, moet je veel testen doen om de juiste doses en de volgorde waarin de medicijnen worden gegeven te bepalen, legt hij uit. Het is het soort probleem dat we met deze technologie kunnen oplossen.
Noch Baxter noch Shuler beweren dat het dier op een chip een wondermiddel is voor het complexe en zeer uitdagende proces van medicijnontwikkeling. Om te beginnen moeten de chips in grootschalige tests nog bewijzen dat ze het echt beter doen dan conventionele celculturen om toxiciteit te voorspellen. Maar als ze kloppen, dan kunnen de pillen die je over tien jaar neemt heel goed aankomen dankzij de offers van een siliconen laboratoriumrat.