Tierversuche sind seit langem ein etabliertes Protokoll in Arzneimittelforschungsprogrammen. Es gibt jedoch systembedingte Probleme mit dieser alles andere als zuverlässigen Methode. Tatsächlich sind nur 10 % der Arzneimittel, die von Tierversuchen zu klinischen Studien am Menschen übergehen, erfolgreich.
Diese geringen Erträge erhöhen den Zeit- und Kostenaufwand für die Markteinführung von Arzneimitteln und führen zu Beschwerden von Versicherern und Regierungsbehörden über die Preisgestaltung in der Branche. Darüber hinaus sind die Menschen sensibler für die Notlage unserer tierischen Versuchspersonen geworden, was der Pharmaindustrie ein schlechtes moralisches Image beschert.
Folglich haben akademische und industrielle Forscher seit langem nach einem besseren System gesucht, und es scheint nun, dass die seit langem erwartete Lebensfähigkeit der Mikrofluidik-Technologie bei Arzneimitteltests zu einem Spitzenreiter bei der Ersetzung von Tierversuchen geworden ist.
Orgel auf einem Chip
Mikrofluidische Geräte können eine kontrollierte Mikroumgebung schaffen, die im Wesentlichen die Physiologie und Funktion eines Organs nachbildet, indem die winzigen Kanäle des Geräts mit menschlichen Organ- und Blutgefäßzellen ausgekleidet werden. Anschließend werden Medikamente in das Ökosystem eingebracht, so dass spezifische Wechselwirkungen beobachtet werden können. Es können Daten über die Toxizität und andere Wirkungen gesammelt werden, und die FDA akzeptiert jetzt diese Art von Daten anstelle von Tierversuchsdaten.
Viele Gruppen haben die Leistungsfähigkeit verschiedener Organ-On-A-Chip-Plattformen demonstriert, von der Lunge im Los Alamos National Lab bis zur Hornhaut an der Universität Hongkong. Der prädiktive Wert von Organ-Chips für das Drogentestsystem hat sich als brauchbar erwiesen, was die Methode zur allgemeinen Akzeptanz führt.
Herz auf einem Chip
Dr. Darwin Reyes-Hernandez, ein biomedizinischer Ingenieur des National Institute of Standards and Technology (NIST) in der Abteilung für Mikrosysteme und Nanotechnologie des Physical Measurement Laboratory (PML), und sein Team haben gerade einen aufregenden Durchbruch in der Heart on a Chip-Technologie veröffentlicht. Der Artikel im Lab on a Chip Journal beschreibt den Einsatz der Mikrofluidik-Technologie, um die Bedingungen eines Herzinfarkts nachzustellen und biotechnologische Behandlungen zu entwickeln. Was gemeinhin als "Herzinfarkt" bezeichnet wird, ist das Absterben von Herzzellen aufgrund mangelnder Blutversorgung.
Interessanterweise zeigen neue Fortschritte, ähnlich wie bei Lebergewebe, eine erfolgreiche Regeneration von Herzzellen, was zu verbesserten Ergebnissen für die Patienten führt. Heart on a Chip beschleunigt die Datenerfassung, um die Wirksamkeit der Behandlung nachzuweisen und die FDA-Zulassung für Versuche am Menschen zu beschleunigen.
Die neue Plattform des NIST
Das Heart on a Chip des NIST wird ebenfalls auf einer neuartigen Plattform hergestellt. Dr. Reyes-Hernandez erklärt, dass durch die Miniaturisierung des mikrofluidischen Systems die Entfernungen, die die Zellen zurücklegen müssen, verkürzt werden können, was dazu führt, dass Interaktionen mit externen Medien viel schneller zu beobachten sind. Mithilfe eines neuartigen Trans-Well-Konzepts können Zellen auf der Ober- und Unterseite der Membran des mikrofluidischen Geräts in einem Abstand von etwa 11 Mikrometern gefangen werden.
Das Herzstück der Plattform sind 10 Mikrometer breite Goldelektroden, die für Impedanzmessungen verwendet werden. Das Verfahren kann die kontinuierliche Bewegung von Zellen in Echtzeit messen, was auch für die Krebsforschung wichtig ist.
"Glücklicherweise", so Dr. Reyes-Hernandez, "haben wir Zugang zur NanoFab des NIST, einer Fotolithografie-Fabrik vor Ort, die es unserem Team ermöglicht, die für das neue Design der Mikrofluidik-Plattform erforderlichen Mikrostrukturen zu schaffen. Die fortschrittliche Fertigung hat die Entwicklung einer Hochgeschwindigkeitslösung für die Behandlung einer der weltweit häufigsten Todesursachen ermöglicht."
Fortschrittliche Fertigung auf der Mikroskala
Das NIST fördert die Innovation mit hochmodernen, fortschrittlichen Fertigungswerkzeugen wie der NanoFab. Für Gruppen, die keine Ressourcen vor Ort haben und eine hochauflösende Fertigung im Bereich von 1 bis 200 Mikrometern benötigen, kann Potomac Photonics bei der Entwicklung von Miniaturisierungslösungen mit UV-Laser und Mikro-CNC-Mikrobearbeitung helfen. Unsere Fähigkeit zur Herstellung von Prototypen bis hin zur Großserienproduktion ermöglicht auch die Herstellung von Prototypen, die für die Fertigung ausgelegt sind und eine schnelle Markteinführung und sofortige Skalierbarkeit gewährleisten.
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