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新薬の市場投入 数十億ドルの費用がかかり、10 年以上かかることもあります。 これらの多額の金銭的および時間的投資は、今日の急騰する医療費の大きな要因であり、患者に新しい治療法を提供する上での重大な障害となっています。 これらの障壁の背後にある大きな理由の 1 つは、研究者が最初に薬を開発するために使用するラボ モデルです。
前臨床試験、または人での臨床試験に入る前に薬の有効性と毒性をテストする研究は、主に細胞培養と動物で行われます. どちらも、人体の状態を模倣する能力が低いために制限されています。 細胞培養 ペトリ皿では、細胞が体内でどのように相互作用するか、生体器官のダイナミクスなど、組織機能のすべての側面を再現することはできません。 と 動物 種間のわずかな遺伝的違いでさえ、大きな生理学的違いに増幅される可能性があります。
8%未満 がん治療のための成功した動物実験のうち、ヒトでの臨床試験に至る割合。 動物モデルは、人間の臨床試験で薬の効果を予測できないことが多いため、これらの後期段階の失敗は、コストと患者の健康リスクの両方を大幅に押し上げる可能性があります。
この翻訳の問題に対処するために、研究者は人体をより厳密に模倣できる有望なモデル、つまり臓器オンチップを開発してきました。
として 分析化学者、私は、一般的な細胞培養の単純さと動物モデルの不一致を回避する器官および組織モデルの開発に取り組んできました。 オルガン・オン・チップがさらに発展すれば、研究者が病気を研究したり、より実生活に近い状態で薬をテストしたりするのに役立つと信じています。
オルガンオンチップとは？
1990 年代後半に、研究者は次の方法を見つけました。 レイヤー弾性ポリマー 顕微鏡レベルで流体を制御および検査します。 これにより、 マイクロフルイディクス、生物医学の場合、血液などの体内の流体の動的な流れを模倣できるデバイスの使用が含まれます。
マイクロフルイディクスの進歩により、研究者は細胞を培養するためのプラットフォームを利用できるようになりました。 オルガンオンチップ. 「チップ」とは、細胞を包むマイクロ流体デバイスを指します。 それらは通常、コンピュータ チップと同じ技術を使用して作られています。
臓器オンチップは体内の血流を模倣するだけでなく、これらのプラットフォームにはマイクロチャンバーがあり、研究者は複数の種類の細胞を統合して、臓器に通常存在するさまざまな種類の細胞を模倣することができます。 流体の流れは、これらの複数の細胞タイプを接続し、研究者がそれらが互いにどのように相互作用するかを研究できるようにします。
この技術は、静的細胞培養と動物研究の両方の限界をいくつかの方法で克服できます。 まず、モデル内を流れる流体の存在により、細胞が体内で経験すること (栄養素を受け取って老廃物を除去する方法など) と、薬物が血中を移動して複数の種類の細胞と相互作用する方法の両方を模倣することができます。 流体の流れを制御する機能により、研究者は特定の薬物の最適な投与量を微調整することもできます。
の 肺オンチップ たとえば、モデルは、生きている人間の肺の機械的特性と物理的特性の両方を統合することができます。 肺の拡張と収縮、または吸入と呼気を模倣し、肺と空気の間の界面をシミュレートすることができます。 これらの品質を再現する能力により、研究者はさまざまな要因で肺障害をよりよく研究することができます。
オルガンオンチップの規模拡大
オルガン・オン・ア・チップは初期段階の医薬品研究の境界を押し広げますが、この技術は 広く統合されていない 医薬品開発パイプラインに。 このようなチップを広く採用するための主な障害は、その複雑さが高く実用性が低いことだと思います。
現在の臓器オンチップモデルは、平均的な科学者が使用するのは困難です。 また、ほとんどのモデルは使い捨てであり、研究者が特定の時間に研究できるものが制限される 1 つの入力のみを許可するため、実装には費用がかかり、時間と労力がかかります。 の 多額の投資が必要 これらのモデルを使用すると、それらを採用する熱意が弱まる可能性があります。 結局のところ、研究者は多くの場合、時間とコストを削減するために、前臨床研究に利用できる最も単純なモデルを使用します。
研究コミュニティ全体がその利点を最大限に活用できるようにするためには、オルガン オン チップを作成して使用するための技術的ハードルを下げることが重要です。 しかし、これは必ずしもモデルを単純化する必要はありません。 私の研究室、たとえば、さまざまなデザインをしています 「プラグアンドプレイ」ティッシュチップ 標準化されモジュール化されているため、研究者は既製の部品を簡単に組み立てて実験を実行できます。
の出現 3Dプリント また、オルガン オン チップの開発を大幅に促進し、研究者が組織全体と臓器モデルをチップ上で直接製造できるようにしました。 3D プリンティングは、迅速なプロトタイピングとユーザー間のデザイン共有に最適であり、標準化された材料の大量生産も容易にします。
臓器オンチップは、創薬のブレークスルーを可能にし、研究者が健康や病気において臓器がどのように機能するかをよりよく理解できるようにする可能性を秘めていると信じています。 この技術のアクセシビリティを高めることで、モデルをラボでの開発から解放し、生物医学業界でその足跡を残すことができます。
チェン・チェンペン、化学および生化学の助教、 メリーランド大学ボルチモア郡. Chengpeng Chen は、NIH から資金提供を受けています。