Artikel ini awalnya diterbitkan ulang dari The Conversation.

Membawa obat baru ke pasar menelan biaya miliaran dolar dan dapat memakan waktu lebih dari satu dekade. Investasi uang dan waktu yang tinggi ini merupakan kontributor kuat untuk meroketnya biaya perawatan kesehatan saat ini dan hambatan signifikan untuk memberikan terapi baru kepada pasien. Salah satu alasan besar di balik hambatan ini adalah model laboratorium yang digunakan peneliti untuk mengembangkan obat.

Uji praklinis, atau studi yang menguji kemanjuran dan toksisitas obat sebelum memasuki uji klinis pada manusia, terutama dilakukan pada kultur sel dan hewan. Keduanya dibatasi oleh kemampuannya yang buruk untuk meniru kondisi tubuh manusia. Kultur sel dalam cawan petri tidak dapat mereplikasi setiap aspek fungsi jaringan, seperti bagaimana sel berinteraksi dalam tubuh atau dinamika organ hidup. Dan hewan bukanlah manusia – bahkan perbedaan genetik yang kecil di antara spesies dapat diperbesar menjadi perbedaan fisiologis yang besar.

Kurang dari 8% penelitian pada hewan yang berhasil untuk terapi kanker mencapai uji klinis pada manusia. Karena model hewan sering gagal memprediksi efek obat dalam uji klinis manusia, kegagalan tahap akhir ini dapat meningkatkan biaya dan risiko kesehatan pasien secara signifikan.

Untuk mengatasi masalah terjemahan ini, para peneliti telah mengembangkan model yang menjanjikan yang dapat lebih mirip dengan tubuh manusia – organ-on-a-chip.

Sebagai ahli kimia analitik, saya telah bekerja untuk mengembangkan model organ dan jaringan yang menghindari kesederhanaan kultur sel umum dan perbedaan model hewan. Saya percaya bahwa, dengan pengembangan lebih lanjut, organ-on-chip dapat membantu peneliti mempelajari penyakit dan menguji obat dalam kondisi yang mendekati kehidupan nyata.

Apa itu organ-on-chip?

Pada akhir 1990-an, para peneliti menemukan cara untuk melapisi polimer elastis untuk mengontrol dan memeriksa cairan pada tingkat mikroskopis. Ini meluncurkan bidang mikrofluida, yang untuk ilmu biomedis melibatkan penggunaan perangkat yang dapat meniru aliran dinamis cairan dalam tubuh, seperti darah.

Kemajuan dalam mikrofluida telah memberi para peneliti platform untuk membiakkan sel yang berfungsi lebih dekat dengan bagaimana mereka akan berada di tubuh manusia, khususnya dengan organ-on-chip. “Chip” mengacu pada perangkat mikofluida yang membungkus sel. Mereka biasanya dibuat menggunakan teknologi yang sama dengan chip komputer.

Organ-on-chip tidak hanya meniru aliran darah di dalam tubuh, platform ini memiliki ruang mikro yang memungkinkan peneliti mengintegrasikan berbagai jenis sel untuk meniru beragam jenis sel yang biasanya ada di organ. Aliran fluida menghubungkan berbagai jenis sel ini, memungkinkan para peneliti untuk mempelajari bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain.

Teknologi ini dapat mengatasi keterbatasan kultur sel statis dan studi hewan dalam beberapa cara. Pertama, adanya cairan yang mengalir dalam model memungkinkannya meniru apa yang dialami sel dalam tubuh, seperti cara menerima nutrisi dan membuang limbah, dan bagaimana obat akan bergerak dalam darah dan berinteraksi dengan berbagai jenis sel. Kemampuan untuk mengontrol aliran cairan juga memungkinkan para peneliti menyempurnakan dosis optimal untuk obat tertentu.

Model lung-on-a-chip, misalnya, mampu mengintegrasikan kualitas mekanik dan fisik dari paru-paru manusia yang hidup. Itu mampu meniru pelebaran dan kontraksi, atau menghirup dan menghembuskan napas, paru-paru dan mensimulasikan antarmuka antara paru-paru dan udara. Kemampuan untuk mereplikasi kualitas-kualitas ini memungkinkan para peneliti untuk mempelajari gangguan paru-paru dengan lebih baik di berbagai faktor.

Membawa organ-on-chip ke skala

Sementara organ-on-a-chip mendorong batas-batas penelitian farmasi tahap awal, teknologinya belum terintegrasi secara luas ke dalam saluran pengembangan obat. Saya percaya bahwa kendala inti untuk adopsi chip semacam itu secara luas adalah kompleksitasnya yang tinggi dan kepraktisannya yang rendah.

Model organ-on-a-chip saat ini sulit digunakan oleh rata-rata ilmuwan. Juga, karena sebagian besar model sekali pakai dan hanya mengizinkan satu input, yang membatasi apa yang dapat dipelajari peneliti pada waktu tertentu, model tersebut mahal dan memakan banyak waktu dan tenaga untuk diterapkan. Investasi tinggi yang diperlukan untuk menggunakan model ini dapat mengurangi antusiasme untuk mengadopsinya. Lagi pula, peneliti sering menggunakan model paling kompleks yang tersedia untuk studi praklinis untuk mengurangi waktu dan biaya.

Menurunkan standar teknis untuk membuat dan menggunakan organ-on-chip sangat penting untuk memungkinkan seluruh komunitas penelitian untuk mengambil keuntungan penuh dari manfaatnya. Tapi ini tidak selalu membutuhkan penyederhanaan model. Lab saya, misalnya, telah merancang berbagai chip jaringan “plug-and-play” yang distandarisasi dan modular, memungkinkan para peneliti untuk dengan mudah merakit bagian-bagian yang telah dibuat sebelumnya untuk menjalankan eksperimen mereka.

Munculnya pencetakan 3D juga secara signifikan memfasilitasi pengembangan organ-on-a-chip, yang memungkinkan para peneliti untuk secara langsung membuat seluruh model jaringan dan organ pada chip. Pencetakan 3D sangat ideal untuk pembuatan prototipe cepat dan berbagi desain antar pengguna dan juga memudahkan produksi massal bahan standar.

Saya percaya bahwa organ dalam chip memiliki potensi untuk memungkinkan terobosan dalam penemuan obat dan memungkinkan peneliti untuk lebih memahami bagaimana fungsi organ dalam kesehatan dan penyakit. Meningkatkan aksesibilitas teknologi ini dapat membantu mengeluarkan model tersebut dari pengembangan di lab dan membuatnya menjadi terkenal di industri biomedis.

Chengpeng Chen, Asisten Profesor Kimia dan Biokimia, University of Maryland, Baltimore County. Chengpeng Chen menerima dana dari NIH.