Em um laboratório na Universidade de Harvard (EUA), há um pequeno chip plástico que pode respirar como um pulmão humano. Há também dispositivos que funcionam como “mini” corações, fígados, rins e intestinos. No início de outubro, pesquisadores anunciaram que desenvolveram um chip que imita a patologia da distrofia muscular, um modelo que poderia ajudar médicos a desenvolver tratamentos para essa condição.

Como destaca artigo do portal Medscape, estes pequenos chips que imitam órgãos estão sendo desenvolvidos na Wyss Institute, da Universidade de Harvard. Trata-se de um centro de pesquisa dedicado ao desenvolvimento de tecnologias de saúde de ponta inspirados pela biologia humana.

Ao projetar os chamados órgãos-em-chips (organs-on-chips), os pesquisadores do Wyss esperam fornecer uma maneira mais eficiente e menos onerosa para executar testes de drogas. “A tecnologia poderia também minimizar a dependência da indústria farmacêutica dos testes em animais, e um dia poderá ajudar a personalizar drogas terapêuticas para uma variedade de condições”, diz o artigo.

Chip que simula respiração

Em 2010, o diretor fundador do Wyss Institute, Dr. Donald Ingber, e seus colegas publicaram um artigo na revista Science, abordando o chip-pulmão, uma das concepções mais marcantes do campo até o momento. O “órgão” é do tamanho de um cartão de memória de computador e contém um canal central dividido por uma membrana porosa. Um lado é alinhado com a vida das células pulmonares humanas e outro com células endoteliais (as que revestem os vasos sanguíneos). Ao passar ar pelo tecido pulmonar e células sanguíneas pela vasculatura do chip através da aplicação de sucção dos dois canais laterais para imitar a respiração pulmonar mecânica normal, pode-se simular a troca de oxigênio do alvéolo pulmonar.

“Além disso, o grupo de Ingber tem utilizado o chip para modelar com sucesso tanto a infecção pulmonar e edemas, bem como a toxicidade de drogas e os efeitos prejudiciais das partículas transportadas pelo ar”, ressalta o Medscape. Embora a pesquisa com órgãos-em-chips exista há anos, só recentemente os pesquisadores começaram a criar dispositivos com vários tipos de células e incorporar fatores fisiológicos – como a respiração –, para imitar melhor a fisiologia humana. “Ingber e muitos outros pesquisadores acham que a tecnologia de órgão-em-chip pode não só ajudar os cientistas a compreender melhor a etiologia da doença e a fisiologia de órgãos, mas também permite que surjam testes de fármacos mais baratos e eficientes”.

“Neste momento, o desenvolvimento pré-clínico de drogas é realizado em modelos animais”, explica Donald Ingber. “Mas muitos destes modelos são terríveis. Eles não estão testando uma droga em células humanas reais, e em muitos casos as drogas que não apresentam toxicidade em animais, eventualmente, mostram em seres humanos”.

O especialista acredita que, testando drogas em chips ao invés de animais, os desenvolvedores de drogas poderiam obter previamente em um composto mecânico, conhecimentos sobre a ação e a toxicidade potencial, permitindo uma melhor escolha de quais drogas valem a pena o tempo e o dinheiro de mais pesquisas.

O grupo de Ingber já aperfeiçoou o pulmão-chip para um modelo que simula asma e edema pulmonar. O pesquisador e seus colegas também têm desenvolvido 10 outros órgãos-em-chips – incluindo intestinos, rins, fígados, medula óssea e barreiras hematoencefálicas – e têm comercializado a tecnologia através de uma empresa sediada em Boston chamada Emulate, na qual Ingber atua como presidente do Conselho Consultivo Científico. A empresa já anunciou parcerias com várias empresas farmacêuticas.

O professor de bioengenharia na Universidade da Califórnia em Berkeley, Dr. Kevin E. Healy concorda com Ingber. “Dr. Healy é um dos vários pesquisadores envolvidos os institutos norte-americanos que trabalham com órgãos-em-chips. “Muitas vezes, os medicamentos falham em estudos de fase 1 ou 2 após muito tempo e dinheiro terem sido investidos”, explica ele. “Eu acho que a tecnologia de chips vai nos ajudar a prever melhor essas falhas”.

Healy também cita, em tom de brincadeira, que aqueles que atuam no campo do desenvolvimento de medicamentos chamado “Eroom’s Law” (a observação de que o desenvolvimento de medicamentos tem ficado gradualmente mais lento e mais caro ao longo dos anos) estão em direção oposta à Moore’s Law (que afirma que, em média, o poder de processamento do computador dobra a cada dois anos). A esperança do especialista é de que a tecnologia dos chips ajudará a mudar a reputação do desenvolvimento lento de drogas. “Sua equipe já está testando drogas que foram afastadas por serem muito tóxicas em animais ou em estudos humanos. Talvez órgãos-em-chips poderiam emitir anteriormente o sinal de alerta vermelho sobre os compostos”.

Personalização

Órgãos-em-chips também poderiam ajudar os médicos a promoverem uma saúde ansiosamente aguardada: a medicina personalizada ou terapias de recuperação para o perfil genético e biológico exclusivo de uma pessoa.

Ao fabricar chips para subgrupos de pacientes, utilizando células-tronco de indivíduos específicos, Dr. Ingber acredita que drogas terapêuticas personalizadas podem ser desenvolvidas de forma muito mais eficaz. “Empresas farmacêuticas muitas vezes executam esses grandes ensaios clínicos que [eventualmente] são mal sucedidos”, diz ele. “Mas então eles vão esmiuçar os dados e perceber que um subgrupo genético de pessoas reagiu. E então, eles voltam e redesenham uma solução apenas para esse subgrupo”, explicou o especialista.

Dr. Clive Svendsen, diretor do Cedars-Sinai Regenerative Medicine Institute, em Los Angeles, fez uma parceria com a Emulate e a Ingber, entre outros, para ajudar a personalizar órgãos-em-chips. “Ao invés de usar modelos celulares genéricos, Svendsen – cuja equipe está trabalhando em chips baseados em modelos de barreiras hematoencefálicas, esclerose lateral amiotrófica, e intestinais (completo com o próprio microbioma da pessoa) – está usando a tecnologia de células-tronco pluripotentes induzidas para reprogramar células de doentes nos tecidos de órgãos específicos, que são em seguida implantados nos chips”.

O modelo de barreira hematoencefálica de Svendsen, por exemplo, envolve a semeadura de neurônios e astrócitos de um lado de uma membrana do chip e células endoteliais no outro. “O sangue infundido com possíveis medicamentos candidatos podem ser canalizados através de recipientes para se ver quais compostos podem atravessar a barreira impermeável”.

“Como as drogas passam, ou não, pela barreira hematoencefálica, é algo específico para cada paciente. Isto depende, em parte, dos ‘transportadores’ que o paciente têm” explica Svendsen. “Nós acreditamos que isso poderia ser muito útil para decidir sobre, por exemplo, a quimioterapia para um tumor ou um antidepressivo para determinados distúrbios neurológicos e psiquiátricos. Talvez certas drogas passem a barreira em um paciente, mas não em outro”, diz ele.

O editor-chefe do portal Medscape, Dr. Eric Topol, também vê a tecnologia dos chips como um caminho para a medicina personalizada. “No movimento contínuo de digitalizar a essência médica dos seres humanos, o progresso de órgãos-em-chips é impressionante”, comenta. “É uma excelente maneira de mover a medicina individualizada à frente”.

Um chip ainda é um chip

Uma desvantagem óbvia de testar drogas em órgãos-em-chips é que, embora o envolvimento de vários tipos de células e outros fatores fisiológicos forneça um modelo muito melhor do humano do que as placas de Petri bidimensionais, ainda estão longe de imitar as nuances multifacetadas do corpo humano. “Pode-se ter uma droga que é muito tóxica para um órgão-em-chip, mas não em um animal porque, como exemplo, o animal tem baço”, explica Svendsen. “O chip não tem um baço”. Mas, como ressalta o especialista, isso será resolvido no futuro.

A DARPA (sigla em inglês para Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa) programa do Departamento de Defesa dos EUA, apoia a pesquisa inovadora destinada, em última análise, a melhorar a segurança nacional. Dr. Donald Ingber é um dos dois principais financiadores de projetos DARPA que visam ligar vários órgãos-em-chips diferentes para aproximar melhor a quantidade de variáveis da fisiologia humana e resposta à droga.

O objetivo é desenvolver um sistema que possa suportar essa comunidade de culturas de células, coexistindo durante pelo menos quatro semanas, a fim de analisar como certas drogas podem ser distribuídas e metabolizadas pelo corpo, bem como ver sua toxicidade.

“Até agora, o grupo de Donald Ingber já conseguiu ligar com sucesso quatro diferentes órgãos-em-chips humanos por duas semanas, demonstrando a distribuição de drogas em todo o sistema. O próximo passo dos pesquisadores é testar a ligação de sete chips diferentes durante três semanas”.

Se o projeto evoluir, é possível que um dia a fisiologia humana seja recriada e drogas sejam testadas nestas redes de chips. “Em outras palavras, um modelo que se aproxima de um completo ‘corpo-em-chips’. A aproximação da biologia humana, em última análise, poderia ajudar a economizar tempo, dinheiro e as vidas dos pacientes com inúmeros transtornos”. Ainda assim, Svendsen adverte para a necessária parcimônia. “Acredito que os órgãos-em-chip vão ser um complemento muito útil, mas provavelmente serão necessários os modelos animais”, finaliza.

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