קבלת תרופות חדשה מרעיון במעבדת הכימיה לשוק לוקח שנים רבות ומיליארדי דולרים. בכל שנה מאושרים רק כמה עשרות תרופות חדשות לשימוש בארצות הברית.
"איברים-על-שבבים" אנושיים מובילים מהפכה בבדיקת בטיחות התרופות. מכשירים אלה משתמשים בתאים אנושיים כדי לדגמן את המבנה ואת תפקודם של איברים ורקמות אנושיות. על ידי בדיקת ההשפעות הפוטנציאליות של תרופות על איברים שונים מהר יותר משיטות מסורתיות, איברים-על-שבבים יכולים להפחית את הצורך במחקרים על בעלי חיים ולנבא טוב יותר אילו תרופות חדשות יטפלו ביעילות במחלות אנושיות.
כחלק מצוות מחקר בינתחומי, אנו עובדים על שבב בכלי-על-שבב כדי לשפר את ההבנה שלנו כיצד מתחילות מחלות כליות ואילו תרופות יכולות לטפל בהן בבטחה.
**********
באופן היסטורי, בדיקות מעבדה לתרופות חדשות מבוצעות בתאים הגדלים בכלים או בקבוקים. אם תרופה עוברת בדיקות סקר ראשוניות במבחנה, החוקרים בודקים אותה לאחר מכן in vivo בבעלי חיים כדי לקבוע את השפעותיה של תרופה חדשה על מערכת שלמה במקום רק סוג תא אחד בכל פעם. לבסוף, לאחר שנים רבות של חקירת מעבדה, החוקרים יבדקו תרופה חדשה ומבטיחה אצל אנשים כדי לבדוק אם היא בטוחה ויעילה.
הבעיה היא ש -9 מתוך 10 מתרופות אלו לעולם אינן עושות זאת מבדיקות אנושיות בהיקף קטן לחולה מכיוון שהן מתגלות כלא יעילות או רעילות, גם אם הראו תוצאות מבטיחות בבדיקה המוקדמת.
לאורגני-על-צ'יפס יש פוטנציאל לשנות לחלוטין את המערכת הזו. החל מגודל ציפורן לזו של כרטיס אשראי, הם מורכבים מתעלות נוזלים ותאים זעירים המכילים דגימות תאים אנושיים. איברים-על-צ'יפס בפיתוח במעבדות ברחבי הארץ כוללים מערכות כליה, ריאות, כבד, מעי, עור, מוח, לב, עצם ורבייה.
באיבר-על-שבב נוזל זורם מספק לתאים חמצן וחומרים מזינים, בדומה לאופן בו הדם מחזיק תאים בגוף האדם. הזרימה הקבועה הזו היא שהופכת את המכשירים האלה למיוחדים. תאים הגדלים במכשירי איברים-על-שבבים פועלים יותר כמו תאים באיבר אנושי מאשר תאים הגדלים בכלים שטוחים ללא זרימה.
נוזל מסתובב דרך כליה על שבב. (אלכס לוין, CC BY-ND) **********
הכליות חשובות להפליא לבריאות האדם הכללית. שתי הכליות בגודל האגרוף מסלקות מהגוף תרופות ותרכובות לא רצויות וממלאות תפקיד קריטי בשמירה על איזון מלח ומים תקין, לחץ דם וויטמין D ובריאות העצמות. מצבים גנטיים ואף תרופות המופנות בדרך כלל עלולים, בנסיבות מסוימות, לפגוע בכליות.
בארצות הברית 15 אחוז מהמבוגרים חולים במחלות כליות. אך הרוב אפילו לא יודעים זאת, מכיוון שלרוב מחלות כליות לא מציגות תסמינים עד שהמצב מתקדם מאוד. יש צורך דחוף להבין כיצד מתחילה מחלת כליות ולפתח טיפולים בטוחים ויעילים חדשים.
כאן באוניברסיטת וושינגטון צוות המחקר שלנו על כליה-על-שבב מורכב מדענים מתחומים רבים ושונים, כולל מרקחת, מדעי התרופות, נפרולוגיה (רפואת כליות), טוקסיקולוגיה, ביוכימיה וביו-הנדסה.
בשיתוף עם חברת Nortis, Inc., חברת ביוטכנולוגיה מקומית, הצוות שלנו יצר מכשיר קטן - בגודל כרטיס ביקור - עם עד שלוש צינורות זעירים, שכל אחד מהם אלף לאחת מאלף טיפת מים, המכיל 5, 000 בני אדם תאי כליה. כאשר נשאבים כמויות קטנות של נוזלים דרך הצינורות, תאי הכליה נחשפים לאותות חשובים המסייעים לתאים שבב להתנהג כאילו הם נמצאים בכליה חיה.
גילינו שתאי הכליה משחררים אותות - המכונים סמנים ביולוגיים - של פציעה כאשר הם נחשפים לרעלנים ידועים בכליות. המחקר שלנו הראה שתאים בשבב שיחררו סמני פגיעה הנפוצים בשתן של אנשים עם נזק לכליות. בדיקה בשיטה הישנה יותר, באמצעות תאים בצלחות, לא הראתה נזק באותו טיפול. זה מרמז כי הכליה-על-שבב עשויה להיות טובה יותר משיטות קיימות בכדי לחזות אם תרופה חדשה תגרום לנזק לכליות בבני אדם.
מכשירים אלה עושים עבודה טובה יותר בבדיקת השפעת המולקולות על תאים אנושיים חיים. (אלכס לוין, CC BY-ND) **********
כעת, לאחר שהגיענו לתוצאות מבטיחות אלה, צוותים מדעיים ברחבי הארץ מתחילים לחבר איברים שונים זה לזה בכדי לשכפל מערכת מורכבת ורבת-איברים, בכדי לתת תובנות גדולות יותר לגבי השפעתן של תרופות על אנשים. לדוגמא, הצלחנו לחבר כבד-על-שבב לכלי-על-שבב בכדי ללמוד כיצד תמצית צמחית המשמשת בכמה תרופות צמחיות, המכונה חומצה אריסטולוכית, פוגעת בתאי הכליה. חקירת שבב לשבב מחזקת את הצורך באיברים-בשבב המחוברים זה לזה בכדי לשכפל את המכניקה המורכבת בגוף האדם.
בשנה הקרובה פרויקט הכליות-על-שבב שלנו יהיה אחד מתוך כמה שנשלח לתחנת החלל הבינלאומית, שם כוח הכבידה הנמוך מזרז את השינויים בתאים, ולעיתים יגרום לבעיות אסטרונאוטים בריאות. תחנת החלל יכולה להיות המקום המושלם לגלות יותר על מחלות כליות בשבועות, ולא שנים או עשורים.
ניתן להשתמש באורגנים-על-צ'יפס כדי לגלות יעדים תרופתיים חדשים. הצוות שלנו בוחן את הכליה-על-שבב ככלי להתאמה אישית של בחירת התרופות והמינון אצל אנשים עם סרטן כליות, מחלת כליות פוליציסטיות ומחלות כליות כרוניות. מעבדות איברים-על-צ'יפס אחרות ברחבי הארץ חוקרות מחלות של מערכת החיסון, המוח, הריאות, הלב וכלי הדם. בעבודה משותפת, עשרות צוותי מחקר מפתחים טכנולוגיה חדשה זו כדי לחולל מהפכה בגילוי התרופות, מה שמוביל להתפתחות של תרופות טובות ובטוחות יותר לכולם.
מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.
קתרין יונג, עוזרת מחקר לפרופסור לרוקחות, אוניברסיטת וושינגטון
אדוארד קלי, פרופסור חבר לרוקחות, אוניברסיטת וושינגטון
ג'ונתן הימלפרב, מנהל המכון לחקר הכליות ופרופסור לרפואה, אוניברסיטת וושינגטון
