Lunedì, 24 Agosto 2020 14:33

Ricerca. La microfluidica: un salto di qualità nel mondo dello sviluppo di nuovi farmaci

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Due importanti ricercatori israeliani ci parlano dei chip microfluidici che simulano il tessuto umano e ci consentono di condurre esperimenti medici in modalità che non avrebbero potuto nemmeno essere immaginate solo pochi anni fa

A volte si verificano grandi processi su piccola scala. "La microfluidica è il mondo in cui interi processi condotti in laboratorio vengono miniaturizzati in piccoli contenitori", spiega il prof. Doron Gerber. In chimica, biologia e altri campi, i processi avvengono in un ambiente liquido, anche quando si lavora con dimensioni in miniatura, da cui il nome "microfluidica". "Laboratory-on-a-chip", che si basa sulla microfluidica, ci consente di condurre simultaneamente serie multiple e complesse di esperimenti che generano un elevato output di dati come un'indagine di dati biochimici, fisici e cellulari, con un enorme risparmio in termini di numero di campioni richiesti e durata dell'esperimento.

Un canale dalle dimensioni di un capello  

Il prof. Doron Gerber è ricercatore presso il Nanotechnology Center e la Facoltà di scienze della vita dell'Università Bar Ilan. "Il mio background è in biologia", premette. "Dopo un dottorato incentrato sulle proteine ​​di membrana, ho deciso di orientarmi sempre più nel settore delle tecnologie. Ho completato così un post dottorato con il Prof. Stephen Quake a Stanford - durante il quale sono stato introdotto nel campo della microfluidica controllata. Il prof. Quake ha inventato un nuovo tipo di microfluidica che ci consente di condurre esperimenti estremamente complessi e di sviluppare applicazioni nei campi della biologia, chimica e fisica utilizzando interruttori flessibili che consentono il controllo completo di tutto ciò che accade all'interno del chip. In altre parole, la tecnologia consente gestione di piccole quantità di liquidi da nano litri.  

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"Come funziona? Diciamo - spiega Quake - che vogliamo condurre 1.000 esperimenti simultanei. Innanzitutto, abbiamo bisogno di un campione della sostanza che stiamo studiando, come una goccia di sangue. Negli esperimenti regolari, abbiamo solo un numero limitato di campioni, sia perché prelevati da una sola persona, sia perché molto costosi.

"La microfluidica - precisa Quake - ci consente di eseguire procedure complesse con piccole quantità di campioni. Immaginiamo di avere una quantità infinita di sangue da esaminare: prenderei 1.000 provette e tenterei di eseguire un esperimento utilizzando sostanze diverse su un campione di sangue in ciascuna secondo il parametro che volevo testare. "Qui miniaturizziamo il test dell'esperimento in modo da avere 64 micro-cavità invece di provette. Ciascuna di queste cavità contiene solo un millesimo di goccia del sangue del paziente. Ogni cavità è un quarto di millimetro quadrato pari a 20 micron, quindi il suo volume è di pochissimi nano litri (1 nano litro è un milionesimo di litro ndr). I passaggi tra le microcavità sono canali, ciascuno largo fino a un capello, attraverso i quali le sostanze necessarie per il diversi esperimenti si muovono. Ora moltiplichiamo questo test per 64 livelli e si potranno condurre migliaia di esperimenti contemporaneamente.

"Per farlo funzionare, abbiamo bisogno che ogni esperimento rimanga separato dagli altri, quindi abbiamo creato una 'porta' che oltre alla separazione ci permette anche di inserire ed estrarre elementi. Questa porta è un interruttore elastico che si apre e si chiude secondo istruzioni fornite da un software per computer.

"In altre parole, i nostri chip microfluidici sono costituiti da cavità estremamente piccole e da un sistema di interruttori (" porte ") completamente controllati in grado di inserire ed estrarre a tempo le sostanze dalle cavità. Un set di esperimenti come questo può essere utilizzato in una vasta gamma di esperimenti scientifici come la ricerca di sostanze nel sangue come anticorpi, frammenti di DNA o RNA da una fonte virale, indicatori di cancro, ecc. Un piccolo volume di sangue di un paziente può essere utilizzato come campione, inserito nel chip in modo che nelle numerose cavità del chip sia contenuta solo una piccola goccia.   

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"In altri esperimenti, come quelli che controllano la connessione tra proteine ​​di diversi virus e proteine ​​umane, possiamo partire dal livello del materiale genetico di una persona o di un virus, tradurlo in proteine ​​a cui sono dati marcatori fluorescenti (fluorofori) nelle cavità del chip e valutare il grado e la forza della connessione creata tra queste proteine. Informazioni come questa sono estremamente preziose per studiare i meccanismi operativi dei virus e il modo in cui influenzano le cellule umane. Trovare una forte connessione tra una proteina virale e una proteina umana suggerisce il coinvolgimento di queste proteine ​​nel modo in cui il virus infetta o si diffonde e può quindi costituire un sito bersaglio per lo sviluppo di un trattamento di quel virus.

"Oltre a lavorare con diverse molecole, la piattaforma microfluidica ci consente anche di lavorare con cellule intere.

"Nel campo della ricerca sul cancro, c'è una buona correlazione tra i risultati dell'esperimento di laboratorio e i risultati clinici. Tuttavia, il problema principale è che un campione prelevato da un malato di cancro contiene molte cellule tumorali e non c'è modo di coltivarle, in modo tale da poter condurre decine di esperimenti e analizzare la loro influenza su una serie di possibili trattamenti. Nel tentativo di superare questo ostacolo, gli scienziati stanno cercando di far crescere le cellule tumorali in laboratorio e di aumentarne il numero e solo allora esporli a trattamenti diversi, ma questa è una corsa contro il tempo.  

"Abbiamo sviluppato un chip microfluidico per la coltura delle cellule. Ciascuna delle cavità del chip può ospitare una piccola quantità di cellule tumorali prelevate da un paziente specifico e ci consente di esporre ciascun gruppo di cellule a un diverso trattamento farmaceutico e di controllare la loro reazione. Questo metodo ci permette di sapere a quale trattamento le cellule tumorali sono resistenti o sensibili e come rispondono, il tutto in un paio di giorni.  

"Sebbene attualmente ci siano molti farmaci per il trattamento del cancro, non è chiaro come ogni paziente risponda a ciascuno di essi. Un farmaco specifico può causare gravi effetti collaterali ed essere inefficace nel trattamento della malattia, quindi la finestra di opportunità per curare questi pazienti è estremamente limitato. I risultati di un esperimento con il nostro chip possono aiutare il medico a scegliere il trattamento più efficace per il pazoente, risparmiando così tempo prezioso e sofferenze inutili. 

"Un anno fa, - afferma Quake - abbiamo pubblicato un documento iniziale in cui si dimostra la teoria e le capacità del sistema. Ora abbiamo iniziato a controllare i campioni dei pazienti. Il documento ha riscosso un notevole interesse e molti hanno espresso il desiderio di esaminare i campioni utilizzando il nostro sistema.

"Di recente - continua Quake - abbiamo iniziato a collaborare con il dottor Amir Onn, capo dell'Istituto di oncologia polmonare presso il centro medico Sheba e il dottor Limor Broday dell'Università di Tel Aviv. Il limite di tempo con il cancro ai polmoni è particolarmente breve. Dal momento in cui il paziente smette di rispondere al trattamento, un medico deve ricevere tutte le informazioni pertinenti e prendere una decisione molto rapida in merito al trattamento alternativo. Nel nostro studio congiunto, tentiamo di valutare se il nostro metodo può facilitare una decisione rapida e accurata, migliorando così i risultati del trattamento somministrato al paziente.

"C'è una grande necessità di sviluppare questo metodo, per cui stiamo tentando di ottenere finanziamenti da istituzioni scientifiche che ci consentino di esaminare circa 300 pazienti nei prossimi due anni. Questo, a sua volta, ci darà la possibilità di caratterizzare il sistema in relazione a una serie di farmaci per il cancro del polmone, mentre contemporaneamente si aggiornerà il sistema che controlla i dati di vitalità e mortalità a seguito dell'esposizione al farmaco. In futuro, speriamo di aggiungere un'ulteriore capacità al sistema che faciliterà la misurazione degli indici metabolici sui processi all'interno delle cellule, come il glucosio e i livelli di energia e che forniscono informazioni più approfondite.

"La complessità del dispositivo significa che la necessità di investimenti su larga scala è una questione fondamentale nei processi di produzione dei chip. Il nostro sogno è consentire ai biologi di acquisire un'idea e portarla all'implementazione ingegneristica: la produzione in laboratorio di un chip. Questo è l'essenza della Bioconvergenza: un biologo che utilizza un'ingegneria sofisticata per creare soluzioni innovative.

"Abbiamo realizzato una vera e propria fabbrica presso la Bar Ilan University per la produzione di chip microfluidici, non solo per il nostro laboratorio ma anche per laboratori aggiuntivi presso Bar Ilan e altre istituzioni, nonché per l'industria israeliana, ma apparteniamo al mondo accademico ed è solo una piccola fabbrica con un numero limitato di risorse umane e finanziarie. Al momento, la nostra sfida più grande è consentire all'industria di utilizzare il potenziale dell'infrastruttura che abbiamo costruito ", ha affermato Quake.

Il futuro della microfluidica

Il Prof. Gerber prevede che i minuscoli chip rappresentino il futuro: ”Sta accadendo in tutto il mondo - la microfluidica sta entrando nel mondo della diagnostica e nel campo dello sviluppo di strumenti per la scansione di farmaci e la sintesi di sostanze, ad esempio anticorpi terapeutici o anticorpi per l'ingegneria genetica dei virus. L'industria ha bisogno di chip microfluidici per produrre anticorpi terapeutici e per commercializzarli come farmaci e sempre più strumenti di questo tipo stanno entrando nei processi di produzione o sviluppo. Al momento, questo tipo di ricerca esiste su piccola scala perchè mancano le infrastrutture e i finanziamenti adeguati. La produzione di un semplice chip microfluidico richiede un impianto di produzione con camere bianche, attrezzature per la creazione di stampi mediante processi litografici, attrezzature per il rivestimento di stampi e attrezzature per la produzione dei chip

"Oggi, è ormai ovvio che sia necessario coniugare la biologia all’alta tecnologia. D’altro canto, il mondo accademico non dispone delle infrastrutture su larga scala necessarie per trasformare la tecnologia in un prodotto pronto all'uso come la produzione di un prototipo di chip. Da quando sono entrato nel mondo accademico, - precisa Quake -  sto costituendo un centro di chip microfluidico in grado di produrre diversi tipi di chip e fornire supporto ai nuovi ricercatori che cercano di utilizzare la tecnologia microfluidica”.

"Non c'è dubbio che siano necessari investimenti su larga scala e significativi incentivi finanziari diretti allo sviluppo di infrastrutture di base affinché il campo della microfluidica trascenda i muri del mondo accademico e penetri nei regni industriali. Contrariamente alla biologia, ad esempio, dove è possibile acquistare un robot per eseguire compiti di grandi quantità, la microfluidica è caratterizzata da una scarsità di aziende che sviluppano questi strumenti per altri.Gli investimenti in questa infrastruttura consentiranno alle aziende di utilizzare prodotti standard e di integrare queste tecnologie innovative nelle loro applicazioni. La giovane industria deve anche essere collegata alle capacità accademiche”.

"Molte aziende che vengono nel nostro centro di nanotecnologia, ad esempio, utilizzano le nostre attrezzature e, allo stesso tempo, ricevono una buona consulenza. Ma questo avviene ad un ritmo accademico. Dobbiamo investire un po 'di più in questa infrastruttura in modo che serva meglio l'industria, per esempio, nella costituzione di un consorzio di cui aspiriamo a far parte ".

"L'integrazione della microfluidica utilizzata per la scoperta di nuovi farmaci e dei sistemi 'lab-on-a-chip' crea una tecnologia straordinaria che consente di ridurre drasticamente l'uso di animali da laboratorio durante lo sviluppo di farmaci e costituisce una piattaforma tecnologica di ingegneria per una scansione più rapida ed efficiente nell’individuazione di nuovi farmaci e trattamenti “, aggiunge il dottor Itai Kela, Direttore Scientifico del Programma di Bioconvergenza.

I sensori scoprono perché i farmaci falliscono 

Quando si discute di Bioconvergenza e il rapporto tra industria e università, è importante conoscere il lavoro del Prof. Yaakov "Koby" Nahmias. Il Prof. Nahmias, Direttore fondatore del Bioengineering Center presso l'Università Ebraica di Gerusalemme, è un imprenditore e Chief Scientist della Tissue Dynamics corporation da lui fondata un anno fa.

"La bio-convergenza, ovvero la combinazione strutturata di biologia ingegneristica e medicina - è una parte molto importante della maturità tecnologica dei progetti e consente scoperte sorprendenti", afferma Nahmias. "In pratica, uno dei motivi principali alla base dell'istituzione del Centro di bioingegneria presso l'Università Ebraica è stato il desiderio di fornire una risposta accademica al crescente bisogno di ingegneri che capiscano la biologia e viceversa". 

Come esempio dell'importanza della Bioconvergenza, il Prof. Nahmias si riferisce al coronavirus: "Quando il virus dell'epatite C è stato scoperto nel 2000, ci sono voluti 3-4 anni per sequenziarlo e poi un anno intero per crescere. Il primo farmaco è arrivato solo diversi anni dopo, in altre parole, ci sono voluti circa un decennio per sviluppare molecole in grado di lottare contro l'epatite C.

"Al contrario, il nuovo coronavirus è stato scoperto solo a novembre ed è stato più o meno sequenziato già a dicembre. Le sue prime colture di tessuti erano pronte a gennaio-febbraio con le prime molecole introdotte nella ricerca clinica intorno a marzo. Ciò che ha richiesto anni con l'epatite C, per il covid-19 è stato fatto in pochi mesi. E questo è un salto di qualità che non passa inosservato”..

“D’altra parte il mondo di oggi si muove con estrema velocità e gli investitori devono tenere conto del fatto che nell'industria farmaceutica sè in atto un’inversione di tendenza. Gli anni '70 e '80, infatti, sono stati caratterizzati da molte aziende farmaceutiche, la maggior parte delle quali sono state man a mano acquisite dai giganti farmaceutici che sono gli unici ad avere le risorse necessarie per portare un nuovo farmaco sul mercato. Tuttavia la prossima rivoluzione tecnologica consentirà a un'intera comunità di piccole aziende farmaceutiche di competere anche con i giganti”.

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 "Lo sviluppo di farmaci è un processo lungo e ad alto rischio", spiega il prof. Nahmias. "Sono necessari 2,6 miliardi di dollari e 10-12 anni per portare un nuovo farmaco sul mercato. Per ogni molecola che raggiunge il mercato, ce ne sono altre 90 che falliscono nonostante i grossi investimenti. Ogni molecola che fallisce nell'animale la fase di test o negli studi clinici costa centinaia di milioni di dollari e a volte può addirittura succedere che i farmaci falliscano anche dopo l'approvazione della FDA”, (La Food and Drug Administration è l'ente governativo statunitense che si occupa della regolamentazione dei prodotti alimentari e farmaceutici, ndr).

"Questo è il motivo per cui, sebbene ci siano centinaia di aziende che sviluppano prodotti farmaceutici in Israele, nessuna di loro ha le risorse per raggiungere il mercato. Queste aziende alla fine saranno vendute a un gigante farmaceutico che condurrà poi gli studi clinici finali. Questa realtà limita la capacità in Israele di competere con altri paesi.

"Uno dei motivi principali per cui i farmaci falliscono è che li sviluppiamo sugli animali. Abbiamo farmaci che funzionano bene nei topi ma non negli esseri umani. Un altro problema è che non capiamo esattamente perché un farmaco fallisce negli studi clinici. È un tipo di scatola nera: ciò significa che non possiamo semplicemente cambiare la molecola e andare avanti, dobbiamo ricominciare dall'inizio. Ecco perché lo sviluppo farmaceutico è un processo così lungo e costoso. 

"La storia dell'organo su chip è iniziato più di dieci anni fa, quando un imprenditore si è avvicinato al mio laboratorio di Harvard per chiedere aiuto sullo sviluppo di questa tecnologia. L'idea fu quella di prendere cellule umane - con genetica e metabolismo umani - e posizionarli su un chip microfluidico che simula la fisiologia umana per far crescere i tessuti di organi diversi. Il chip microfluidico è di plastica e ha le dimensioni di una moneta. Invece di condurre un esperimento su un ratto o un topo, usiamo un chip microfluidico contenente minuscoli tessuti di organi umani. 

"Sono molto interessato a questo campo  - spiega Nahmias -  per cui ho sviluppato la prima tecnologia 'organ-on-a-chip' che è stata commercializzata per un'azienda americana chiamata HuREL. Sebbene la tecnologia soddisfacesse la necessità di prove umane, non ha risolto un secondo problema: ovvero ottenere una chiara comprensione del motivo per cui un farmaco non funziona.

"Quando sono tornato in Israele per creare il centro di bioingegneria, mi sono concentrato sul tentativo di risolvere entrambi i problemi contemporaneamente. Per cinque anni, abbiamo sviluppato una tecnologia che ci consenta di prendere cellule umane, usarle per creare fegato, cuore, cervello umani. e dei tessuti renali, e di inserire in essi sensori che ci permettono di misurare l'attività dei tessuti in tempo reale, questo a sua volta ci dà la possibilità di scoprire cosa succede al tessuto umano quando gli somministriamo un farmaco o durante una malattia. 

"I sensori funzionano esattamente come in un autoveicolo: se il veicolo si spegne, la spia dell'olio lampeggia e capiamo il problema. Quando somministro un farmaco a un tessuto sano che improvvisamente smette di funzionare, so esattamente dove si trova quella molecola. Se inserisco una molecola in un cuore in cui identifico una malattia e ripristina il battito cardiaco regolare, i sensori mi mostrano perché funziona. 

"Questa tecnologia - continua Nahmias - ci permette di cambiare completamente il mondo dei farmaci. Può ridurre i costi di sviluppo fino all'80%, il che significa che sarà possibile sviluppare un farmaco da zero e portarlo sul mercato al costo di poche centinaia di milioni di dollari . Questo ha un enorme significato per l'economia. Centinaia di aziende farmaceutiche potrebbero  raggiungere il mercato da sole ".

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La strada per decentralizzare lo sviluppo dei farmaci

Tissue Dynamics è stata fondata due anni fa. Come spiega il Prof. Nahmias: "abbiamo iniziato come una piccola azienda, senza alcun finanziamento esterno. Abbiamo dato a grandi aziende come L'Oréal, Merck e Teva l'accesso alla nostra tecnologia in modo che ne comprendessero il potenziale. Diversi mesi fa, solo prima della crisi del coronavirus, abbiamo avviato un round di finanziamento per gli investimenti iniziali. 

"Siamo attualmente in una fase di uscita dall'università. Abbiamo sviluppato in modo indipendente nuove molecole per il trattamento dell'artrite e del cancro e stiamo ora portando la nostra piattaforma nella direzione di un nuovo modello di sviluppo di farmaci. 

"La nostra visione generale - prosegue Nahmias - è di una struttura decentralizzata per lo sviluppo di farmaci: un programma di apprendimento intelligente basato su cloud che ha accesso a diversi sistemi Tissue Dynamics distribuiti tra i principali laboratori di tutto il mondo. La piattaforma principale si trova presso la nostra azienda dove stiamo sviluppando nuovi sistemi biologici e modelli molecolari, ma anche la creazione di contatti con i principali laboratori di tutto il mondo e l'assimilazione delle nostre tecnologie. Questi contatti ci consentono di creare dati e informazioni biologici e chimici che non sono solo nostri e di includere informazioni da altri gruppi in tutto il mondo. La nostra prima collaborazione negli Stati Uniti è con ATCC (American Type Culture Collection), il più grande database di cellule e tessuti del mondo. ATCC ha circa 4.500 tessuti umani di persone sane e malate e l'accesso a tali informazioni ci consente una comprensione molto più profonda dei diversi meccanismi.

"Sei mesi fa, abbiamo sviluppato un nuovo modello di rene umano che ci consente di osservare l'attività e la tossicità di un farmaco nel rene. Uno dei farmaci che abbiamo esaminato si chiama ciclosporina e viene somministrato a pazienti che hanno ricevuto trapianti di organi o che  soffrono di artrite.

La ciclosporina genera un fatturato globale di circa 4 miliardi di dollari l'anno nonostante sia noto il fatto che provoca danni ai reni.

"Quando abbiamo inserito il farmaco in un rene, i sensori sono stati attivati ​​e ci hanno fornito una mappa energetica di come si comporta il farmaco in un rene umano. Stranamente, si scopre che attiva lo stesso meccanismo di quello in un fegato grasso. Nessuno conosceva questo meccanismo in precedenza ed era impossibile notarlo senza i nostri sensori. Questa svolta ci ha permesso di eseguire una rapida riformulazione del farmaco e ridurne la tossicità. Riteniamo che ciò costituisca una svolta rivoluzionaria nello sviluppo di farmaci ".

Last modified on Lunedì, 24 Agosto 2020 14:51

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