Siliciummarsvinet

Ved første øjekast kunne Michael Shulers chip passere til en hvilken som helst lille siliciumplade, der er prikket ud af en computer eller mobiltelefon. Hvilket får det til at virke endnu mere malplaceret på en bænk i Cornell University-forskerens laboratorium, omgivet af petriskåle, bægre og andet bio-rod og monteret i en plastikbakke som en dissekeret mus. Chippen ser ud til at være på en slags livstøtte, med lyserød væske, der pumper ind i den gennem rør. Shuler påpeger metodisk komponenterne i chippen med en blyant: her er leveren, lungerne er herovre, det er fedt. Derefter sprøjter han et eksperimentelt lægemiddel ind i det imiterede blod, der strømmer gennem disse organer og væv - faktisk små labyrinter af snoede rør og kamre foret med levende celler. Forbindelsen vil reagere med andre kemikalier, ophobes i nogle af organerne og passere hurtigt gennem andre. Efter adskillige timer vil Shuler og hans team være tættere på at besvare et nøglespørgsmål: Er det sandsynligt, at stoffet, når det gives til et faktisk menneske, gør mere skade end gavn?

Dette såkaldte dyr på en chip blev designet til at hjælpe med at overvinde en enorm hindring for at opdage nye lægemidler: der er i øjeblikket ingen hurtig, pålidelig måde at forudsige, om en eksperimentel forbindelse vil have toksiske bivirkninger - hvis den vil gøre folk syge i stedet for at lave dem godt. Forsøg på dyr er det bedste lægemiddelproducenter kan gøre, men det er langsomt, dyrt, ofte unøjagtigt og stødende for mange. For at minimere antallet af dyreforsøg screener lægemiddelfirmaer rutinemæssigt lægemiddelkandidater ved hjælp af cellekulturer - i det væsentlige klumper af levende menneske- eller dyreceller, der vokser i petriskåle eller reagensglas. Fremgangsmåden er relativt billig og nem, men den giver kun en uklar forudsigelse af, hvad der vil ske med en forbindelse på den kredsløbende tur gennem et dyrs væv og organer.

Denne historie var en del af vores juni 2004-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Shuler er blandt en håndfuld forskere, der udvikler mere sofistikerede cellekulturer, der simulerer kroppens komplekse organer og væv. MIT vævsingeniør Linda Griffith har bygget en chip, der efterligner nogle af funktionerne i en lever, mens Shuichi Takayama, en biomedicinsk ingeniør ved University of Michigan, har bygget en, der efterligner opførselen af ​​det vaskulatoriske system. (se Anden Animal-on-a-Chip-indsats nedenfor). Men mens sådanne bestræbelser har frembragt overbevisende analoger af dele af menneske- eller dyrekroppe, er Shuler gået et skridt videre. I samarbejde med kollegaen Greg Baxter, der lancerede Beverly Hills, CA-baserede Hurel for at kommercialisere teknologien, har Shuler kombineret replikaer af flere dyreorganer på en enkelt chip, hvilket har skabt en grov stand-in for et helt pattedyr. Andre versioner af Shulers chips forsøger at gå endnu længere ved at bruge menneskelige celler til mere trofast at reproducere virkningerne af en forbindelse i kroppen.

Lægemiddelvirksomheder er interesserede, og det er ikke så mærkeligt: ​​de fremstiller rutinemæssigt tusinder, ja titusinder, af forbindelser i håb om at finde en, der er effektiv mod et bestemt mål. Chips som Shuler og Baxters kunne betyde en billig, hurtig og præcis måde at luge ud på forbindelser, der i sidste ende ville vise sig at være giftige, hvilket sparer virksomhederne år og millioner af dollars på udviklingen af ​​værdiløse lægemidler. Ifølge en nylig undersøgelse foretaget af Tufts University's Center for Study of Drug Development, bruger lægemiddelindustrien for hvert lægemiddel, der kommer på markedet, i gennemsnit $467 millioner på menneskelig testning - langt størstedelen af ​​pengene går til lægemidler, der fejler, enten pga. de er ikke effektive, eller fordi de viser sig giftige. Hvis flere fejl kunne identificeres, før dyreforsøg overhovedet begyndte, kunne virksomheder fokusere mere af deres tid og penge på vinderne. Alle i industrien håber at have surrogater til dyr og mennesker, når det kommer til at teste forbindelser, siger Jack Reynolds, chef for sikkerhedsvidenskab for Pfizer, verdens største medicinalfirma. Det er den slags teknologi, vi gerne vil have i vores værktøjskasse.

ANDRE DYR-ON-A-CHIP-INDSATS
Projektleder	Gruppe	Teknologi
Dawn Applegate	RegeneMed (San Diego, Californien)	Chips foret med humant levervæv til lægemiddelscreening
Linda Griffith	MED (Cambridge, MA)	Lever på en chip til lægemiddelscreening
Paul Kosnik	Væv Genesis (Honolulu, HI)	Chips med vaskulære og ligamentceller til udvikling af vævserstatning
Shuichi Takayama	University of Michigan (Ann Arbor, MI)	Cellekulturchips med kanaler, der efterligner det vaskulatoriske system
William Wang	Pharmacom (Iowa City, IA)	Drug-screening chips, der vil omfatte celler fra hjernen og andre organer

Giftpiller

Værktøjskasserne for lægemiddeludviklere er allerede fyldt med et væld af simple cellekulturtest, der har til formål hurtigt at forudsige, hvilke lægemidler der vil have giftige bivirkninger. Problemet med disse test er, at de ofte er også enkel. Et typisk scenarie: Forskere sprøjter en opløsning indeholdende en eksperimentel medicin ind i petriskåle, hvor levende celler høstet fra en rottes lunger flyder i en næringsrig bouillon. Hvis cellerne dør, opstiller forskerne stoffet og prøver en anden; hvis cellerne overlever, begynder de den langvarige og dyre proces med at teste stoffet på mus, rotter og andre dyr. Men stoffets manglende evne til at dræbe lungecellerne tilbyder en lille forsikring om, at det ikke vil gøre folk syge.

Når en person tager et lægemiddel, går dets aktive ingrediens på en vild tur for at komme til målcellerne: det kan absorberes af tarmen, nedbrydes af enzymer i leveren, opsamles i uger af fedtceller, screenes ud af en hjerne membran, og hvirvlede gennem hele prøvelsen igen og igen af ​​blodet. Når det sker, kan en ellers harmløs forbindelse ophobes i et bestemt organ, indtil den når giftige niveauer. Eller det kan omdannes til en helt anden forbindelse, som i sig selv er giftig. Pfizers Reynolds anslår, at af lægemiddelkandidater, der ender med at vise sig at være usikre, opnår cirka 40 procent deres toksicitet efter at være blevet omdannet til andre forbindelser i kroppen.

En grund til, at konventionelle cellekulturtests ofte vildleder forskere, er, at de ikke præsenterer det komplekse bryg af enzymer og andre kemikalier, som et lægemiddel kan støde på og reagere med i kroppens forskellige væv. Og simple cellekulturer afslører ikke, hvor meget af et lægemiddel der faktisk kommer til forskellige typer celler, i hvilken form og i hvor lang tid. Faktisk viser næsten halvdelen af ​​de lægemidler, der virker sikre i cellekulturtest, giftige i dyreforsøg; og endnu flere fejler, når de støder på menneskers komplekse væv og organer. Forskere håber dog, at cellekulturer, der bedre simulerer forholdene i kroppen, vil gøre et langt bedre stykke arbejde med at spotte giftige lægemidler, hvilket reducerer afhængigheden af ​​dyre- og menneskeforsøg. Industriens hellige gral er at kunne forudsige toksicitet fra en cellekultur, siger Peter Lord, leder af mekanistisk toksikologi i præklinisk udvikling hos Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.

Lille VVS

Michael Shuler er en 57-årig, ranglet kemiingeniørprofessor, som har næret en sideinteresse i biologiske processer siden ungdomsskolen. I 1989 var han blevet interesseret i toksicitetstestning, og han havde overvejet upålideligheden af ​​konventionelle cellekulturer, da en idé faldt ham op: kunne du lave en cellekultur, der gentager rejsen gennem de forskellige organer? Han anerkendte det som et kemiteknisk problem: glaskamre foret med forskellige typer celler og tilsluttet via rør til hinanden og til en pumpe, der sendte væske gennem dem, ville langt mere realistisk simulere en krop, og test, der anvender dem, kan forudsige, hvad der sker hos levende dyr meget mere præcist.

Efter flere måneder havde Shuler og eleverne konstrueret en bænk-top konglomeration af celler og VVS, der giver en rå arbejdsmodel af et sæt pattedyrsorganer. Det fungerede på en måde, men Shuler vidste, at der var et stort problem med dets troskab: næsten al kemien i kroppen foregår i væv fyldt med små kanaler og kamre, hvor kritiske reaktioner afhænger af forskellige kemikaliers evne til at koncentrere sig i nogle steder og diffus i andre, delvist afhængig af den mikroskopiske geografi. At blande alt i store bægerglas ville forvrænge den sarte balance. Plus, ved denne størrelse ville systemet ikke være praktisk eller billigt nok til test i stor skala.

I mellemtiden havde molekylærbiologen Greg Baxter netop sluttet sig til Cornell's Nanobiotechnology Center som forsker. Hans speciale var mikrofluidik, i det væsentlige, mikroskopisk VVS på en chip. På sin anden dag knaphullede han Shuler i sit laboratorium og spekulerede på, om han havde nogle projekter, der kunne drage fordel af ultraminiaturisering. Sjovt, du skulle spørge, sagde Shuler.

Det tog kun to møder at udmønte det grundlæggende chipdesign og et år at producere den første prototype. For at bygge en af ​​enhederne skærer forskerne små skyttegrave, der ligner svage ridser, ind i en siliciumchip på størrelse med miniaturebilleder; disse skyttegrave tjener som væskeførende rør. At producere mikrofluidiske funktioner på chips til test af kemiske reaktioner og efterligning af biologiske processer er ikke nyt. Men ved at kombinere deres færdigheder inden for kemiteknik og mikrofabrikation tilføjer Shuler og Baxter et væsentligt twist: de har konstrueret størrelserne, længderne og layoutet af alle skyttegravene i et forsøg på tæt at duplikere de væskestrømme og kemiske eksponeringer, som celler oplever i rigtige organer.

Skyttegrave fungerer som surrogat-blodkar, der transporterer kemikalier inden i og mellem chippens ersatz-organer, som i sig selv er sammensat af skyttegrave, der er tæt spiralformet eller snoet til tætte blodpropper, der er cirka en halv centimeter brede. Tusindvis af levende celler er fastgjort til gulvet i hvert organs skyttegrave. En ekstern pumpe på størrelse med mursten cirkulerer en næringsrig væske - en stand-in for blod - gennem chippen. Når en testforbindelse tilsættes væsken, er dens siliciumrejse nogenlunde analog med, hvad den ville gennemgå i et levende pattedyr, takket være 13 års fifler om hvert organs størrelse, mønster og forbindelser og med størrelserne og formerne af forskellige skyttegrave. Vi ønskede, at cellernes miljø skulle være så realistisk som muligt, lige fra tilførsel af næringsstoffer og fjernelse af affaldsprodukter til de mekaniske belastninger, som de oplever, siger Shuler.

Efter at en testforbindelse har cirkuleret gennem chippen i flere timer, overvåges cellerne i chippen, enten med et mikroskop eller via indlejrede sensorer, der kan teste for ilt og andre indikatorer. Optager cellerne forbindelsen? Gør det syge eller dræber det dem? Som i et faktisk dyr spiller hvert organ eller væv en specifik rolle i chippen. Leveren og tarmen nedbryder nogle forbindelser til mindre molekyler, for eksempel, mens fedtet, der er fastklemt ikke kun med celler, men også med en svampelignende gel - ofte bevarer forbindelser, så de kan sive ud senere. Et målorgan eller væv er sædvanligvis inkluderet for at demonstrere de endelige virkninger af forbindelsen; dette kan være en kræfttumor eller et særligt sårbart væv, såsom lungen eller knoglemarven.

Chipsene skal selvfølgelig testes grundigt, før lægemiddelfirmaer vil bruge dem bredt. Alligevel er tidlige tegn opmuntrende. Shuler kørte et eksperiment med naphthalen, en forbindelse, der bruges i mølkugler og pesticider. Overdreven eksponering forårsager lungeskade, men du ville ikke vide det fra standard cellekulturtest. Det er fordi synderen ikke er naphthalen i sig selv, men snarere to kemikalier produceret af leveren, når den nedbryder naphthalen. Hvis du vidste det og sprøjtede disse biprodukter direkte på lungeceller i kultur, ville du observere en så alvorlig reaktion, at du ville konkludere, at selv en lille eksponering for naphthalen er ekstremt farlig. Men det er også forkert; som det viser sig, trækker fedtceller mange af de giftige forbindelser ud af systemet. Shulers chip efterligner overbevisende denne kæde af begivenheder, hvilket giver et realistisk mål for skaden.

En sådan præcis simulering lover at hjælpe lægemiddelvirksomheder med at forbedre deres screening af lægemiddelkandidater - og spilde mindre tid og penge på dem, der i sidste ende vil fejle dyreforsøg. Ifølge Baxter er chipsene klar til en sådan applikation lige nu, og seks store virksomheder taler i øjeblikket med Hurel om at tage teknologien i brug. Shuler, hjulpet af et team af studerende og samarbejdspartnere hos Cornell og andre steder, arbejder på yderligere at formindske og automatisere teknologien. Målet: en bank i papirstørrelse på 96 chips, der tilsluttes en robotlaboratorieopsætning, der meget hurtigt tilføjer testmedicin og overvåger resultaterne. Systemet kunne ikke kun erstatte konventionelle cellekulturer, men også reducere afhængigheden af ​​dyreforsøg, hvor forskere skal bruge et stort antal dyr til at teste forskellige doser af et lægemiddel og skal overvåge disse dyr over tid for at opfange subtile bivirkninger. Vi taler om at køre en test om en eller to dage, der ville tage måneder med dyr, siger Shuler. Shuler projekterer en produktionspris pr. chip på omkring $50 komplet med celler, sammenlignet med de hundreder eller endda tusindvis af dollars, det tager at erhverve og vedligeholde et enkelt forsøgsdyr.

Slags Menneske

Chips, der kopierer dyrs funktion, vil sandsynligvis være de første versioner af teknologien, der har en kommerciel indflydelse. Men håbet er, at når først disse viser sig at forudsige resultaterne af dyreforsøg, vil versioner af mennesker på en chip give en god indikation af, hvor giftigt et lægemiddel sandsynligvis vil bevise i forsøg på mennesker.

Dyreforsøg spiller den rolle nu, men ikke særlig godt. Fire ud af fem lægemidler, der klarer sig gennem dyreforsøg, ender med at fejle i kliniske forsøg på mennesker, normalt på grund af sikkerhedsproblemer. En del af problemet er, at mus ikke kan fortælle dig, at de har hovedpine, sløret syn eller mavekramper. Men det større problem er simpelthen, at dyrs organer og de processer, der finder sted i dem, ikke er identiske med menneskers. Ingen ved, hvor mange lægemidler, der ville have været sikre hos mennesker, blev lagt på hylden, fordi de gjorde nogle dyr syge. (Penicillin er for eksempel giftigt for marsvin, men blev heldigvis også testet på mus.)

Chips, der indeholder simulerede menneskelige væv og organer, kunne også give forskere mulighed for at udarbejde komplicerede multidrug-skemaer til behandling af forskellige sygdomme uden at udsætte patienterne gennem pinefulde runder af trial and error. Shuler, for eksempel, er nul på anticancer cocktails. Han inkorporerer menneskelige celler fra livmoder- eller tyktarmssvulster i sine chips, og opretter en mere realistisk model af en bestemt type kræft. Han kan derefter teste evnen af ​​forskellige kombinationer af kemoterapimedicin til at dræbe cellerne uden at gøre resten af ​​systemet syge. For at finde gode kombinationsbehandlinger skal man køre en masse tests for at bestemme de rigtige doser og den rækkefølge, stofferne gives i, forklarer han. Det er den slags problem, vi kan få fat i med denne teknologi.

Hverken Baxter eller Shuler hævder, at dyret på en chip er nogen form for universalmiddel for den komplekse og dybt udfordrende medicinudviklingsproces. For det første skal chipsene stadig bevise i storskalatests, at de virkelig gør et bedre stykke arbejde end konventionelle cellekulturer til at forudsige toksicitet. Men hvis de holder mål, så kan de piller, du tager ti år fra nu, meget vel komme frem takket være ofrene fra en laboratorierotte af silicium.

skjule