Silicon marsvin

Vid första anblicken kunde Michael Shulers chip passera för vilken liten kiselplatta som helst som tagits ur en dator eller mobiltelefon. Vilket gör att den verkar desto mer malplacerad på en bänkskiva i Cornell Universitys forskarlabb, omgiven av petriskålar, bägare och annat bio-röra och monterat i en plastbricka som en dissekerad mus. Chipet verkar vara på något slags livstöd, med rosa vätska som pumpar in i det genom rör. Shuler pekar metodiskt ut komponenterna i chippet med en penna: här är levern, lungorna är här borta, det här är fett. Han injicerar sedan ett experimentellt läkemedel i det imiterade blodet som rinner genom dessa organ och vävnader - faktiskt små labyrinter av vridna rör och kammare kantade med levande celler. Föreningen reagerar med andra kemikalier, ackumuleras i några av organen och passerar snabbt genom andra. Efter flera timmar kommer Shuler och hans team att vara närmare att svara på en nyckelfråga: är det troligt att substansen, när den ges till en verklig människa, gör mer skada än nytta?

Detta så kallade djur på ett chip designades för att hjälpa till att övervinna ett enormt hinder för att upptäcka nya läkemedel: det finns för närvarande inget snabbt, tillförlitligt sätt att förutsäga om en experimentell substans kommer att ha toxiska biverkningar - om den kommer att göra människor sjuka istället för att göra dem väl. Att testa på djur är det bästa läkemedelstillverkare kan göra, men det är långsamt, dyrt, ofta felaktigt och stötande för många. För att minimera antalet djurtester, screenar läkemedelsföretag rutinmässigt läkemedelskandidater med hjälp av cellkulturer - huvudsakligen klumpar av levande mänskliga eller djurceller som växer i petriskålar eller provrör. Tillvägagångssättet är relativt billigt och enkelt, men det ger bara en dimmig förutsägelse om vad som kommer att hända med en förening på den runda resan genom ett djurs vävnader och organ.

Den här historien var en del av vårt juninummer 2004

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Shuler är bland en handfull forskare som utvecklar mer sofistikerade cellkulturer som simulerar kroppens komplexa organ och vävnader. MIT vävnadsingenjör Linda Griffith, för en, har byggt ett chip som efterliknar några av funktionerna i en lever, medan Shuichi Takayama, en biomedicinsk ingenjör vid University of Michigan, har byggt ett som imiterar beteendet hos kärlsystemet. (se Andra djur-på-en-chip-ansträngningar nedan). Men medan sådana ansträngningar har producerat övertygande analoger av delar av människo- eller djurkroppar, har Shuler gått ett steg längre. I samarbete med kollegan Greg Baxter, som lanserade Beverly Hills, CA-baserade Hurel för att kommersialisera tekniken, har Shuler kombinerat repliker av flera djurorgan på ett enda chip, vilket skapar en grov stand-in för ett helt däggdjur. Andra versioner av Shulers chips försöker gå ännu längre genom att använda mänskliga celler för att mer troget reproducera effekterna av en förening i kroppen.

Läkemedelsföretagen är intresserade, och det är inte konstigt: de tillverkar rutinmässigt tusentals, till och med tiotusentals, substanser i hopp om att hitta en som är effektiv mot ett visst mål. Chips som Shuler och Baxters kan innebära ett billigt, snabbt och korrekt sätt att sålla bort föreningar som så småningom skulle visa sig vara giftiga, vilket sparar företag år och miljontals dollar på utvecklingen av värdelösa läkemedel. Enligt en nyligen genomförd studie från Tufts Universitys Center for the Study of Drug Development, för varje läkemedel som når marknaden, spenderar läkemedelsindustrin i genomsnitt 467 miljoner dollar på testning av människor - den stora majoriteten av pengarna går till läkemedel som misslyckas, antingen pga. de är inte effektiva eller för att de visar sig vara giftiga. Om fler misslyckanden kunde identifieras innan djurförsök ens började, skulle företagen kunna fokusera mer av sin tid och sina pengar på vinnarna. Alla i branschen hoppas kunna ha surrogat för djur och människor när det kommer till att testa föreningar, säger Jack Reynolds, chef för säkerhetsvetenskaper för Pfizer, världens största läkemedelsföretag. Det här är den typ av teknik vi vill ha i vår verktygslåda.

ANDRA DJUR-ON-A-CHIP-INSATSER
Projektledare	Grupp	Teknologi
Dawn Applegate	RegeneMed (San Diego, CA)	Chips fodrade med mänsklig levervävnad för läkemedelsscreening
Linda Griffith	MED (Cambridge, MA)	Lever på ett chip för drogscreening
Paul Kosnik	Tissue Genesis (Honolulu, HI)	Chips med vaskulära och ligamentceller för att utveckla vävnadsersättning
Shuichi Takayama	Michigans universitet (Ann Arbor, MI)	Cellkulturchips med kanaler som efterliknar kärlsystemet
William Wang	Pharmacom (Iowa City, IA)	Läkemedelsscreeningschip som kommer att inkludera celler från hjärnan och andra organ

Giftpiller

Läkemedelsutvecklarnas verktygslådor är redan fyllda med en mängd enkla cellkulturtester som syftar till att snabbt förutsäga vilka blivande läkemedel som kommer att ha toxiska biverkningar. Problemet med dessa tester är att de är ofta för enkel. Ett typiskt scenario: forskare sprutar en lösning som innehåller en experimentell medicin i petriskålar där levande celler skördade från en råts lungor flyter i en näringsrik buljong. Om cellerna dör lägger forskarna fram föreningen och provar en annan; om cellerna överlever börjar de den långa och dyra processen att testa substansen på möss, råttor och andra djur. Men substansens misslyckande att döda lungcellerna erbjuder liten försäkring för att det inte kommer att göra människor sjuka.

När en person tar ett läkemedel går dess aktiva ingrediens på en vild resa för att komma till målcellerna: den kan absorberas av tarmen, bryts ner av enzymer i levern, hamstras i veckor av fettceller, sållas bort av en hjärna membran, och virvlade genom hela prövningen om och om igen av blodet. När det händer kan en annars ofarlig förening ackumuleras i ett visst organ tills den når giftiga nivåer. Eller det kan omvandlas till en helt annan förening, som i sig är giftig. Pfizers Reynolds uppskattar att av läkemedelskandidater som i slutändan visar sig vara osäkra, förvärvar cirka 40 procent sin toxicitet efter att ha omvandlats till andra föreningar i kroppen.

En anledning till att konventionella cellkulturtester ofta vilseleder forskare är att de inte presenterar den komplexa brygden av enzymer och andra kemikalier som ett läkemedel kan stöta på och reagera med i kroppens olika vävnader. Och enkla cellkulturer avslöjar inte hur mycket av ett läkemedel som faktiskt kommer till olika typer av celler, i vilken form och hur länge. Faktum är att nästan hälften av läkemedlen som verkar säkra i cellkulturtester visar sig vara giftiga i djurförsök; och ännu fler misslyckas när de möter människors komplexa vävnader och organ. Forskare hoppas dock att cellkulturer som bättre simulerar förhållandena i kroppen kommer att göra ett mycket bättre jobb med att upptäcka giftiga läkemedel, vilket minskar beroendet av djur- och människoförsök. Branschens heliga gral är att kunna förutsäga toxicitet från en cellkultur, säger Peter Lord, chef för mekanistisk toxikologi inom preklinisk utveckling vid Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.

Liten VVS

Michael Shuler är en 57-årig, gänglig kemiteknikprofessor som har fostrat ett sidointresse för biologiska processer sedan högstadiet. År 1989 hade han blivit intresserad av toxicitetstester, och han hade funderat på opålitligheten hos konventionella cellkulturer när en idé kom upp för honom: skulle du kunna göra en cellkultur som replikerar resan genom de olika organen? Han kände igen det som ett kemitekniskt problem: glaskammare klädda med olika typer av celler och anslutna via rör till varandra och till en pump som skickade vätska genom dem skulle mycket mer realistiskt simulera en kropp, och tester som använder dem kan förutsäga vad som händer hos levande djur mycket mer exakt.

Efter flera månader hade Shuler och eleverna konstruerat ett bänkkonglomerat av celler och VVS som ger en grov arbetsmodell av en uppsättning däggdjursorgan. Det fungerade liksom, men Shuler visste att det fanns ett stort problem med dess trohet: nästan all kemi i kroppen äger rum i vävnader packade med små kanaler och kammare, där kritiska reaktioner beror på förmågan hos olika kemikalier att koncentrera sig i vissa platser och diffusa på andra, delvis beroende på den mikroskopiska geografin. Att blanda ihop allt i stora bägare skulle förvränga den känsliga balansen. Plus, vid denna storlek skulle systemet inte vara praktiskt eller tillräckligt billigt för storskalig testning.

Samtidigt hade molekylärbiologen Greg Baxter precis gått med i Cornells Nanobiotechnology Center som forskare. Hans specialitet var mikrofluidik-i huvudsak, mikroskopisk VVS på ett chip. På sin andra dag knäppte han Shuler i sitt labb och undrade om han hade några projekt som kunde dra nytta av ultraminiatyrisering. Roligt att du borde fråga, sa Shuler.

Det tog bara två möten att lägga fram den grundläggande chipdesignen och ett år att producera den första prototypen. För att bygga en av enheterna, skär forskarna små diken som ser ut som svaga repor i ett kiselchip i miniatyrstorlek; dessa diken fungerar som vätskeförande rör. Att producera mikrofluidiska funktioner på chips för att testa kemiska reaktioner och imitera biologiska processer är inte nytt. Men genom att kombinera sina färdigheter inom kemiteknik och mikrotillverkning, lägger Shuler och Baxter till en betydande twist: de har konstruerat storlekarna, längderna och layouten på alla diken i ett försök att nära duplicera vätskeflödena och kemisk exponering som celler upplever i riktiga organ.

Skyttegravarna fungerar som surrogatblodkärl och transporterar kemikalier inom och mellan chipets ersatzorgan, som själva är sammansatta av skyttegravar som är tätt spiralformade eller snodda till täta proppar som är ungefär en halv centimeter breda. Tusentals levande celler är fästa vid golvet i varje organs diken. En extern pump i tegelstorlek cirkulerar en näringsrik vätska - ett stand-in för blod genom chipet. När en testförening tillsätts till vätskan är dess kiselresa ungefär analog med vad den skulle genomgå hos ett levande däggdjur, tack vare 13 års pyssel med varje organs storlek, mönster och sammankopplingar, och med storlekarna och formerna på organen. olika skyttegravar. Vi ville att cellernas miljö skulle vara så realistisk som möjligt, från tillförsel av näringsämnen och avlägsnande av avfallsprodukter till de mekaniska påfrestningar som den upplever, säger Shuler.

Efter att en testsubstans har cirkulerat genom chippet i flera timmar, övervakas cellerna i chipet, antingen med ett mikroskop eller via inbyggda sensorer som kan testa för syre och andra indikatorer. Absorberar cellerna föreningen? Gör det sjuka eller dödar det dem? Som i ett verkligt djur spelar varje organ eller vävnad en specifik roll i chipet. Levern och tarmen bryter ner vissa föreningar till mindre molekyler, till exempel, medan fett som fastnar inte bara med celler, utan också med en svampliknande gel - ofta behåller föreningar, vilket gör att de kan läcka ut senare. Ett målorgan eller målvävnad ingår vanligtvis för att demonstrera de slutliga effekterna av föreningen; detta kan vara en cancertumör eller en särskilt sårbar vävnad, såsom lungans eller benmärg.

Chipsen kommer naturligtvis att behöva testas utförligt innan läkemedelsföretagen kommer att använda dem i stor utsträckning. Ändå är tidiga tecken uppmuntrande. Shuler körde ett experiment med naftalen, en förening som används i malkulor och bekämpningsmedel. Överdriven exponering orsakar lungskador, men du skulle inte veta det från vanliga cellkulturtester. Det beror på att den skyldige inte är naftalen i sig utan snarare två kemikalier som produceras av levern när den bryter ner naftalen. Om du visste det och stänkte dessa biprodukter direkt på lungceller i kultur, skulle du observera ett så allvarligt svar att du skulle dra slutsatsen att även en liten exponering för naftalen är extremt farlig. Men det är också fel; som det visar sig drar fettceller ut mycket av de giftiga föreningarna ur systemet. Shulers chip härmar på ett övertygande sätt denna händelsekedja, vilket ger ett realistiskt mått på skadan.

Sådan exakt simulering lovar att hjälpa läkemedelsföretag att förbättra sin screening av läkemedelskandidater - och slösa mindre tid och pengar på de som i slutändan kommer att misslyckas med djurförsök. Enligt Baxter är chipsen redo för en sådan applikation just nu, och sex stora företag pratar just nu med Hurel om att ta till sig tekniken. Shuler, med hjälp av ett team av studenter och medarbetare på Cornell och på andra håll, arbetar på att ytterligare krympa och automatisera tekniken. Målet: en pappersarksbank med 96 marker som ansluts till en robotlabbinstallation som mycket snabbt lägger till testläkemedel och övervakar resultaten. Systemet kan inte bara ersätta konventionella cellkulturer utan också minska beroendet av djurexperiment, där forskare måste använda ett stort antal djur för att testa olika doser av ett läkemedel, och måste övervaka dessa djur över tid för att upptäcka subtila biverkningar. Vi pratar om att köra ett test på en eller två dagar som skulle ta månader med djur, säger Shuler. Shuler projicerar ett produktionspris per chip på cirka 50 USD komplett med celler, jämfört med de hundratals eller till och med tusentals dollar som krävs för att skaffa och underhålla ett enda labbdjur.

Typ av människa

Chips som replikerar djurens funktion kommer sannolikt att vara de första versionerna av tekniken som får en kommersiell inverkan. Men förhoppningen är att när de väl har visat sig korrekt förutsäga resultaten av djurförsök, kommer versioner av människor på ett chip att ge en bra indikation på hur giftigt ett läkemedel sannolikt kommer att visa sig i försök på människor.

Djurförsök spelar den rollen nu, men inte särskilt bra. Fyra av fem läkemedel som klarar sig genom djurförsök misslyckas i kliniska prövningar på människor, vanligtvis på grund av säkerhetsproblem. En del av problemet är att möss inte kan berätta för dig att de har huvudvärk, suddig syn eller magkramper. Men den större frågan är helt enkelt att djurens organ, och de processer som äger rum i dem, inte är identiska med människors. Ingen vet hur många läkemedel som skulle ha varit säkra för människor som lades på hyllan eftersom de gjorde vissa djur sjuka. (Penicillin är till exempel giftigt för marsvin men testades lyckligtvis också på möss.)

Chips som innehåller simulerade mänskliga vävnader och organ kan också göra det möjligt för forskare att utarbeta komplicerade multidrogsystem för att behandla olika sjukdomar utan att försätta patienter genom plågsamma omgångar av försök och misstag. Shuler, till exempel, nollar på anticancercocktails. Han införlivar mänskliga celler från livmoder- eller tjocktarmstumörer i sina chips, vilket skapar en mer realistisk modell av en viss typ av cancer. Han kan sedan testa förmågan hos olika kombinationer av kemoterapiläkemedel att döda cellerna utan att skada resten av systemet. För att hitta bra kombinationsbehandlingar behöver man köra en hel del tester för att bestämma rätt doser och i vilken ordning läkemedlen ges, förklarar han. Det är den typen av problem vi kan komma runt med den här tekniken.

Varken Baxter eller Shuler hävdar att djuret på ett chip är någon form av universalmedel för den komplexa och djupt utmanande drogutvecklingsprocessen. För det första måste chipsen fortfarande bevisa i storskaliga tester att de verkligen gör ett bättre jobb än konventionella cellkulturer för att förutsäga toxicitet. Men om de håller måttet, då kan pillren du tar tio år från och med nu mycket väl komma fram tack vare offren från en kisellabråtta.

Dölj