Экосистема тестирования лекарств на основе органических чипов, созданная в результате сотрудничества, значительно упрощает процесс оценки безопасности и эффективности существующих лекарств для новых медицинских применений и обеспечивает доказательную концепцию использования органных чипов для быстрого перепрофилирования существующих лекарств для использования в медицинских целях. новые медицинские приложения, включая будущие пандемии. Об исследовании сообщается в Nature Biomedical Engineering.
Хотя многие группы по всему миру тестируют существующие лекарства на эффективность против COVID-19 с использованием культивированных клеток, хорошо известно, что клетки, выращенные в чашке, не ведут себя как клетки в живом организме человека, и многие лекарства, которые кажутся эффективными в лабораторные исследования не работают у пациентов.
Команда Wyss изучила восемь существующих лекарств, включая гидроксихлорохин и хлорохин, которые, как они и другие обнаружили, были активными против SARS-CoV-2 в обычных анализах клеточных культур.
При тестировании на их более сложном микрожидкостном чипе легких дыхательных путей, который был инфицирован псевдотипированным вирусом SARS-CoV-2, они обнаружили, что большинство этих препаратов, включая гидроксихлорохин и хлорохин, не были эффективны. Однако другой противомалярийный препарат, амодиахин, оказался высокоэффективным в предотвращении проникновения вируса. Затем эти результаты были подтверждены на культивируемых клетках и на модели COVID-19 на небольших животных с использованием инфекционного вируса SARS-CoV-2.
В настоящее время амодиахин проходит клинические испытания на COVID-19 в нескольких учреждениях в Африке, где этот препарат недорого и широко доступен.
«Скорость, с которой эта команда собралась, обратилась к COVID-19 и дала клинически значимые результаты, поразительна», – сказал старший автор и основатель Wyss Institute Дон Ингбер, штат Массачусетс.D., Ph.D. «Мы начали тестирование этих соединений в феврале 2020 года, получили данные к марту и опубликовали препринт в апреле. Благодаря открытости и сотрудничеству, вызванному пандемией в научном сообществе, наш ведущий препарат сейчас испытывается на людях.
Это убедительное свидетельство способности Organ Chips ускорять доклинические испытания."
От загадочной болезни до соединения свинца за месяцы
В первые месяцы пандемии COVID-19, когда о новом вирусе SARS-CoV-2 было мало что известно, по всему миру предпринимались усилия по выявлению существующих лекарств, которые можно было бы использовать для лечения больных. В то время как ранние данные, полученные на клетках, выращенных в лабораторных чашках, казалось, предполагают, что противомалярийные препараты хлорохин и гидроксихлорохин могут лечить болезнь, более поздние исследования показали, что они не активны против SARS-CoV-2 у животных или пациентов, и поиски лекарства эффективное пероральное лекарство, которое может лечить и предотвращать COVID-19, продолжается.
К счастью, у Института Висса было готовое решение этой проблемы. В шаге, который сегодня кажется дальновидным, более трех лет назад Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и Национальные институты здравоохранения (NIH) выделили финансирование команде Ингбера на изучение того, может ли технология микрожидкостного культивирования человеческого органического чипа, точно имитирующая эту функцию. человеческих органов in vitro, могут быть использованы для противодействия потенциальным угрозам биологического происхождения, включая пандемические респираторные вирусы.
За два года работы над проектом команда стабильно добивалась прогресса, используя чип воздуховода для легких, чтобы изучать препараты, которые можно было бы использовать для лечения вирусных инфекций гриппа. Затем, в январе 2020 года, первые авторы Longlong Si, Ph.D. и Хайцин Бай, доктор философии.D. слышал о случаях того, что называлось новой вирусной пневмонией в Китае.
"Это привлекло большое внимание ученых, потому что любой новый вирус может стать глобальной угрозой, учитывая, насколько легко инфекции распространяются в сегодняшнюю эпоху массовых международных путешествий. Мы внимательно следили за обновлениями, потому что думали, что наша модель Airway Chip может предоставить важный инструмент для изучения этого вируса », – сказал Си, научный сотрудник Wyss Technology и соавтор.
Как только стало ясно, что люди болеют из-за загадочного COVID-19, а не пневмонии, команда быстро переключила свое внимание на новый вирус SARS-CoV-2.
Чип дыхательных путей человека, который команда Wyss разработала для этих исследований, представляет собой микрожидкостное устройство размером с карту памяти USB, которое содержит два параллельных канала, разделенных пористой мембраной.
Клетки дыхательных путей легких человека выращиваются в одном канале, который перфузируется воздухом, а клетки кровеносных сосудов человека выращиваются в другом канале, который перфузируется жидкой культуральной средой для имитации кровотока. Клетки, выращенные в этом устройстве, естественным образом дифференцируются на несколько типов клеток, специфичных для дыхательных путей, в пропорциях, аналогичных таковым в дыхательных путях человека, и развивают черты, наблюдаемые в живых легких, такие как реснички, и способность производить и перемещать слизь. Клетки чипа дыхательных путей также имеют более высокий уровень рецепторного белка ангиотензинпревращающего фермента-2 (ACE2), который играет центральную роль в физиологии легких и используется SARS-CoV-2 для заражения клеток.
«Самая большая проблема при переключении нашего внимания на SARS-CoV-2 заключалась в том, что у нас нет лабораторных помещений с необходимой инфраструктурой для безопасного изучения опасных патогенов. Чтобы обойти эту проблему, мы разработали псевдовирус SARS-CoV-2, который экспрессирует спайковый белок SARS-CoV-2, чтобы мы могли идентифицировать лекарства, которые препятствуют способности спайкового белка связываться с рецепторами ACE2 клеток легких », – сказал Бай, научный сотрудник Института Висса и со-ведущий автор. «Второстепенная цель заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что исследования такого типа могут проводиться другими исследователями микросхем органов, у которых есть такая же технология, но у которых нет доступа к лабораторным помещениям, необходимым для изучения высокоинфекционных вирусов."
Вооружившись псевдовирусом, который позволил им изучить инфекцию SARS-CoV-2, команда сначала перфузила канал кровеносного сосуда Airway Chips несколькими одобренными препаратами, включая амодиахин, торемифен, кломифен, хлорохин, гидроксихлорохин, арбидол, верапамил и амиодарон. все они проявили активность против других родственных вирусов в предыдущих исследованиях. Однако, в отличие от статических исследований культур, они смогли перфузировать лекарство через каналы чипа, используя клинически значимую дозу, чтобы имитировать, как лекарство будет распределяться в тканях нашего тела.
Через 24 часа они ввели псевдовирус SARS-CoV-2 в воздушный канал Airway Chips, чтобы имитировать заражение вирусами, передающимися по воздуху, например, при кашле или чихании.
Только три из этих препаратов ? амодиахин, торемифен и кломифен ? значительно предотвращает проникновение вируса без повреждения клеток в чипах дыхательных путей. Самый мощный препарат, амодиахин, снижал инфекцию примерно на 60%. Команда также выполнила спектрометрические измерения с помощью Стива Гайги, доктора философии.D.группа в Гарвардской медицинской школе, чтобы оценить, как препараты повлияли на клетки дыхательных путей.
Эти исследования показали, что амодиахин вызывает отчетливые и более широкие белковые изменения, чем другие противомалярийные препараты.
У исследователей был главный кандидат в лекарство.
Все руки на палубе
Несмотря на обещание амодиахина, команде все же нужно было продемонстрировать, что он работает против настоящего инфекционного вируса SARS-CoV-2. С помощью нового гранта DARPA, посвященного COVID-19, Ингбер объединился с Мэтью Фриманом, доктором философии.D. в Школе медицины Университета Мэриленда и Бенджамин тенОвер, доктор философии.D. в Медицинской школе Икана на горе Синай, в обеих из которых уже были созданы лаборатории биобезопасности для изучения инфекционных патогенов.
Это сотрудничество создало экосистему открытия лекарств, которая сочетает в себе возможности эмуляции человека, присущие микросхемам для органов института Висса, с опытом Фримана и ТенОвер во взаимодействии между вирусами и их клетками-хозяевами. Лаборатория Frieman проверила амодиахин и его активный метаболит, дезэтиламодиахин, против нативного SARS-CoV-2 с помощью высокопроизводительных анализов на клетках in vitro и подтвердила, что препарат подавляет вирусную инфекцию.
Параллельно с этим лаборатория tenOever проверила амодиахин и гидроксихлорохин против нативного SARS-CoV-2 в прямом сравнении на модели COVID-19 у мелких животных и увидела, что профилактическое лечение амодиахином привело к снижению вирусной нагрузки примерно на 70%. при воздействии, при этом гидроксихлорохин был неэффективен. Они также увидели, что амодиахин предотвращает передачу вируса от больных здоровым животным более чем в 90% случаев, и что он также эффективен для снижения вирусной нагрузки при введении после введения вируса.
Таким образом, их результаты показывают, что амодиахин может работать как в лечебном, так и в профилактическом режимах.
«Было очень интересно наблюдать, как прекрасно амодиахин подавляет инфекцию в чипе дыхательных путей», – сказал Фриман. "И тот факт, что он, похоже, работает как до, так и после воздействия SARS-CoV-2, означает, что он потенциально может быть эффективным в самых разных условиях."
«Это сотрудничество позволило нам делать то, на что у нас никогда не было бы ресурсов, в том числе недавно установили чипы для органов в нашей собственной лаборатории, чтобы теперь мы могли использовать их для изучения взаимодействия между инфекционными вирусами и их хозяевами. Хотя мы гордимся тем, что мы сделали для COVID-19, мы также с нетерпением ждем возможности изучить дополнительную динамику вируса-хозяина с помощью микросхем органа в надежде, что мы сможем предотвратить или справиться с будущими пандемиями. , – сказал tenOever, профессор микробиологии.
Препринт результатов исследования амодиахина был опубликован в Интернете 15 апреля 2020 года, что вызвало бурную реакцию в научном сообществе.
В конечном итоге это привлекло внимание компании Medicines for Malaria Venture, ведущего партнерства по разработке продуктов в области исследования противомалярийных препаратов. Эти результаты, наряду с исследованиями нескольких других групп, способствовали включению амодиахина в клиническое испытание, проведенное осенью прошлого года в сотрудничестве с Университетом Витватерсранда в Южной Африке и Shin Poong Pharmaceutical в Южной Корее. Несколько месяцев спустя Инициатива по лекарствам от забытых болезней (DNDi) добавила амодиахин в клиническое испытание ANTICOV для COVID-19, которое охватывает 19 центров в более чем 13 разных странах Африки.
Амодиахин пероральный, чрезвычайно недорогой и широко доступный в Африке. Если в ходе этих клинических испытаний будет доказано, что он эффективен, он может стать крайне необходимым оружием против COVID-19 в странах с ограниченными ресурсами, где доступ к вакцинам и новым дорогостоящим лекарствам ограничен.
Подготовка к следующей пандемии
Хотя идентификация амодиахина является большим подспорьем в борьбе с COVID-19, команда уже нацелена на будущие пандемии.
В дополнение к SARS-CoV-2 в их недавней публикации подробно рассказывается об их успехе в поиске лекарств, которые могут защитить от нескольких штаммов вируса гриппа или вылечить их.
«Благодаря нашему опыту использования этого конвейера разработки лекарств для проверки амодиахина на COVID-19, мы теперь применяем то, что мы узнали, к гриппу и другим патогенам, вызывающим пандемию», – сказал соавтор Кен Карлсон, доктор философии.D., Ведущий старший научный сотрудник, который помогает руководить группой терапевтического проекта по коронавирусу в Институте Висс. «Этот процесс вселил в нас уверенность в том, что микросхемы органов позволяют прогнозировать то, что мы видим в более сложных живых моделях вирусных инфекций, и помог использовать творческий котел Института Висса для консолидации и усиления нашего механизма терапевтических открытий."
Помимо гриппа, команда сейчас изучает препараты, которые можно было бы использовать против новых мутантных штаммов SARS-CoV-2, чтобы подавить опасный «цитокиновый шторм», который приводит к многочисленным госпитализациям, и облегчить симптомы COVID-19 ». дальнобойщики."
«Пандемия действительно заморозила программу разработки Bioinspired Therapeutics Института Висса, и благодаря взаимодействию с лабораториями Frieman и tenOever удалось создать конвейер по открытию и разработке лекарств, который значительно ускоряет весь процесс, быстро направляя лекарства от COVID-19 через доклинические разработки до точка, где они могут быть протестированы на людях. Имея в своем распоряжении технологию Organ Chip, мы теперь в более выгодном положении, чтобы противостоять будущим пандемиям ", – сказал Ингбер, который также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы Джуды Фолкмана и профессором биоинженерии в Гарвардском университете имени Джона Джона. А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона.
Среди дополнительных авторов статьи: Мелисса Родас, Вуджи Цао, Кристал О, Мерси Сун, Атик Нурани, Сон Мин Ким, Данни Чжу, Гириджа Гоял, Рани Пауэрс и Роберто Плебиани из Института Висс; бывшие члены Института Висс Рашель Прантил-Баун, Камбез Бенам и Сара Гилпин; Аманда Цзян из Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы; Расмус Моллер, Дейзи Хоугланд, Кохей Оиши, Шу Хориучи, Скайлер Уль, Даниэль Бланко-Мело, Тристан Джордан, Бенджамин Нильссон-Пайант, Илона Голынкер и Джастин Фрер из Медицинской школы Икана на горе Синай; Джеймс Лог, Роберт Хаупт, Мариса МакГрат и Стюарт Уэстон из Медицинской школы Университета Мэриленда; Тиан Чжан и Стив Гайги из Гарвардской медицинской школы;
Это исследование было поддержано NIH (NCATS 1-UG3-HL-141797-01 и NCATS 1-UH3-HL- 141797-01), DARPA (W911NF-12-2-0036 и W911NF-16-C-0050), Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Фонд Марка Хааса и Институт биологической инженерии Висса при Гарвардском университете.