Mendapatkan farmaseutikal baru dari idea dalam makmal kimia ke pasaran mengambil masa bertahun-tahun dan berbilion-bilion dolar. Setiap tahun hanya beberapa ubat baru yang diluluskan untuk digunakan di Amerika Syarikat.
Manusia "organ-on-chip" memimpin revolusi dalam ujian keselamatan dadah. Peranti ini menggunakan sel manusia untuk memodelkan struktur dan fungsi organ manusia dan tisu. Dengan menguji potensi kesan ubat pada organ yang berlainan dengan cepat daripada kaedah tradisional, organ-on-chip dapat mengurangkan keperluan untuk kajian haiwan dan lebih baik meramalkan ubat-ubatan baru mana yang akan berkesan merawat penyakit manusia.
Sebagai sebahagian daripada pasukan penyelidikan interdisipliner, kami sedang mengusahakan cip buah pinggang untuk meningkatkan pemahaman kami tentang bagaimana penyakit buah pinggang bermula dan ubat-ubatan dapat dengan selamat melayan mereka.
**********
Secara bersejarah, ujian makmal untuk ubat-ubatan baru dilakukan dalam sel-sel yang ditanam dalam hidangan atau minuman. Sekiranya ubat melepasi ujian pemeriksaan awal dalam vitro, penyelidik akan mengujinya dalam vivo pada haiwan secara langsung untuk menentukan kesan ubat baru pada keseluruhan sistem dan bukan hanya satu jenis sel pada satu masa. Akhirnya, selepas bertahun-tahun penyiasatan makmal, penyelidik akan menguji ubat baru yang menjanjikan kepada orang ramai untuk melihat apakah ia selamat dan berkesan.
Masalahnya ialah 9 daripada 10 ubat-ubatan ini tidak pernah membuatnya daripada ujian manusia kecil kepada pesakit kerana mereka berubah menjadi tidak berkesan atau toksik, walaupun mereka menunjukkan hasil yang menjanjikan dalam ujian awal.
Organs-on-chip mempunyai potensi untuk mengubah sepenuhnya sistem itu. Bermula dari saiz kuku hingga kad kredit, ia terdiri daripada saluran bendalir dan ruang kecil yang mengandungi sampel sel manusia. Organs-on-chips dalam pembangunan di makmal di seluruh negara termasuk buah pinggang, paru-paru, hati, usus, kulit, otak, jantung, tulang dan sistem pembiakan.
Dalam organ-on-a-chip, cecair mengalir membekalkan sel-sel dengan oksigen dan nutrien, sama dengan cara darah mengekalkan sel-sel dalam tubuh manusia. Ini aliran berterusan yang membuat peranti ini istimewa. Sel-sel yang ditanam di dalam organ-on-chip peranti bertindak lebih seperti sel-sel dalam organ manusia daripada sel yang ditanam dalam pinggan rata tanpa aliran.
Fluida beredar melalui buah pinggang-on-a-cip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Buah pinggang sangat penting untuk kesihatan manusia secara menyeluruh. Kedua-dua ginjal bersaiz gatal mengeluarkan ubat-ubatan dan sebatian yang tidak diingini dari badan dan memainkan peranan penting dalam mengekalkan garam dan keseimbangan air yang betul, tekanan darah dan vitamin D dan kesihatan tulang. Kondisi genetik dan ubat-ubatan yang biasa ditadbir boleh, dalam beberapa keadaan, merosakkan buah pinggang.
Di AS, 15 peratus orang dewasa mempunyai penyakit buah pinggang. Tetapi kebanyakannya tidak tahu, kerana penyakit buah pinggang sering memaparkan tiada gejala sehingga keadaannya sangat maju. Terdapat keperluan mendesak untuk memahami bagaimana penyakit buah pinggang bermula, dan untuk membangunkan rawatan baru yang selamat dan berkesan.
Di sini di Universiti Washington, pasukan penyelidikan buah pinggang kami terdiri daripada saintis dari pelbagai disiplin, termasuk farmasi, sains farmaseutikal, nefrologi (ubat ginjal), toksikologi, biokimia dan bioengineering.
Dalam kerjasama dengan Nortis, Inc., sebuah syarikat bioteknologi tempatan, pasukan kami telah mencipta peranti kecil - saiz kad perniagaan - dengan sehingga tiga tiub kecil, setiap satu-seperibu saiz setetes air, yang mengandungi 5, 000 manusia sel buah pinggang. Apabila sejumlah kecil cecair dipam melalui tiub, sel-sel buah pinggang terdedah kepada isyarat penting yang membantu sel-sel dalam cip berkelakuan seolah-olah mereka berada dalam buah pinggang hidup.
Kami mendapati bahawa sel buah pinggang melepaskan isyarat - dipanggil biomarker - kecederaan apabila terdedah kepada toksin buah pinggang yang diketahui. Penyelidikan kami menunjukkan bahawa sel-sel pada cip dikeluarkan penanda kecederaan yang biasa dilihat dalam air kencing orang-orang dengan kerosakan buah pinggang. Ujian dengan kaedah yang lebih tua, menggunakan sel-sel pada plat, tidak menunjukkan apa-apa kerosakan dengan rawatan yang sama. Ini menunjukkan bahawa buah pinggang pada cip mungkin lebih baik daripada kaedah sedia ada ketika meramalkan jika ubat baru akan menyebabkan kerosakan ginjal pada manusia.
Peranti ini melakukan tugas yang lebih baik untuk menguji bagaimana molekul mempengaruhi sel-sel manusia yang hidup. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Sekarang kita mempunyai hasil yang menjanjikan ini, pasukan saintifik di seluruh negara mula menghubungkan organ-organ yang berlainan bersama-sama untuk mereplikasi sistem multi-organ yang lebih kompleks, untuk memberikan gambaran yang lebih mendalam mengenai bagaimana dadah mempengaruhi orang. Sebagai contoh, kami dapat menyambungkan hati-on-a-cip ke buah pinggang di atas untuk mengetahui bagaimana ekstrak tumbuhan yang digunakan dalam beberapa ubat herba, yang dipanggil asid aristolochic, merosakkan sel-sel buah pinggang. Penyiasatan cip-cip-cip ini memperkuat keperluan untuk organ-cip-cip yang saling berhubungan untuk meniru mekanik kompleks dalam tubuh manusia.
Pada tahun yang akan datang, projek batu ginjal kami akan menjadi salah satu daripada beberapa yang dihantar ke Stesen Angkasa Antarabangsa di mana graviti rendah mempercepat perubahan sel, kadang-kadang menyebabkan masalah kesihatan bagi angkasawan. Stesen Angkasa boleh menjadi tempat yang sempurna untuk mengetahui lebih lanjut mengenai penyakit buah pinggang dalam minggu, bukan tahun atau dekad.
Organs-on-chips juga boleh digunakan untuk mencari sasaran dadah baru. Pasukan kami sedang menilai buah pinggang di atas sebagai alat untuk memperibadikan pemilihan dadah dan dos dalam orang dengan kanser buah pinggang, penyakit ginjal polikistik dan penyakit ginjal kronik. Makmal organ-on-chip lain di seluruh negara sedang mempelajari penyakit sistem imun, otak, paru-paru, jantung dan saluran darah. Dengan bekerja bersama, berpuluh-puluh pasukan penyelidikan sedang membangunkan teknologi baru ini untuk merevolusikan penemuan ubat, yang membawa kepada pembangunan ubat-ubatan yang lebih baik dan selamat untuk semua.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Catherine Yeung, Penolong Penyelidik Profesor Farmasi, Universiti Washington
Edward Kelly, Profesor Madya Pharmaceutics, University of Washington
Jonathan Himmelfarb, Pengarah Institut Penyelidikan Ginjal dan Profesor Perubatan, University of Washington
