Biologia 3D: Il cambiamento di paradigma nella scoperta farmacologica di nuova generazione [infografica interattiva]
Pubblicato originariamente: 19 aprile 2023
Il panorama della scoperta farmacologica sta cambiando
19 aprile 2023 Portare un farmaco sul mercato è stato storicamente dispendioso in termini di tempo e costoso, con molti candidati che non hanno risposto alla prima fase delle sperimentazioni cliniche. Le crescenti evidenze suggeriscono che lo screening dei composti nelle prime fasi del processo utilizzando modelli tradizionali, come animali e colture cellulari propagate in 2D, può essere un fattore che contribuisce.
I ricercatori stanno ora navigando verso sistemi 3D complessi e rilevanti per l’uomo come gli organoidi, poiché si ritiene che rappresentino meglio il modo in cui l’organismo potrebbe rispondere al trattamento.
Scoprite con la nostra infografica interattiva perché il settore sta accogliendo questa nuova generazione di scoperta farmacologica e le innovazioni che supportano i ricercatori nel loro percorso nella biologia 3D.
Che cos’è il paradigma della scoperta farmacologica?
La biologia 3D è la nuova generazione della scoperta farmacologica: una transizione da colture cellulari 2D e modelli animali a modelli cellulari 3D e sistemi umani più biologicamente rilevanti.
Iniziate il vostro viaggio dalla biologia 2D alla biologia 3D nel nostro ultimo blog mentre vi mostriamo cosa serve per entrare in questo nuovo paradigma di scoperta farmacologica e come i ricercatori di tutto il mondo stanno spostando i loro schermi composti dalle colture cellulari 2D e dai modelli animali a sistemi 3D più complessi e rilevanti per l’uomo come gli organoidi.
La promessa rivoluzionaria della biologia 3D
I modelli rilevanti per l’uomo forniscono informazioni precoci sulle interazioni farmacologiche con le cellule umane, rilevando i problemi di efficacia e tossicità preclinicamente. Il campo emergente della biologia 3D sta rivoluzionando lo screening farmacologico e la comprensione della malattia, offrendo un vantaggio unico nel predire le risposte umane a nuovi trattamenti.
Il percorso costoso e lungo dello sviluppo di farmaci
Nonostante gli investimenti da miliardi di dollari, ottenere l’approvazione di nuovi farmaci è ancora un processo lungo e costoso, principalmente a causa degli alti tassi di abbandono. Le colture cellulari 2D tradizionali e i modelli animali spesso non sono in grado di prevedere le prestazioni dei farmaci negli esseri umani, portando a molti potenziali farmaci che non riescono durante lo sviluppo.
Uno sbalorditivo 75% dei costi di ricerca e sviluppo deriva da fallimenti, fondi spesi per progetti che inizialmente sembrano promettenti ma che successivamente vengono trovati inefficaci, non sicuri o commercialmente inutilizzabili durante le sperimentazioni sugli esseri umani. È chiaro che il processo di sviluppo del farmaco ha bisogno di una rivoluzione e gli organoidi potrebbero essere la chiave per raggiungerlo.
Limitazioni dei modelli cellulari convenzionali
A parte la considerazione etica, i modelli cellulari tradizionali nella ricerca farmacologica, che si tratti di linee cellulari 2D, modelli animali di piccole dimensioni o primati non umani, devono affrontare sfide di traslatabilità che ostacolano il loro successo nello spostamento delle terapie dal banco al letto del paziente.
Per risolvere questo problema, il paradigma della scoperta farmacologica sfrutta i sistemi di modelli rilevanti per l’uomo durante la scoperta farmacologica per migliorare i tassi di successo clinico e ridurre la dipendenza da modelli animali. Gli organoidi stanno riducendo il divario di traslatabilità predendo accuratamente gli esiti dei farmaci. Gli studi indicano che i farmaci che falliscono sugli organoidi dei pazienti nelle sperimentazioni precliniche probabilmente falliranno nei pazienti effettivi, mentre un alto tasso di successo si tradurrà in esiti efficaci per i pazienti.
Nonostante il loro potenziale, la crescita degli organoidi può richiedere molto lavoro e tempo, influenzando la scalabilità. Tuttavia, le tecnologie automatizzate di coltura cellulare e gli organoidi pronti per il saggio stanno migliorando la scalabilità per rendere più fattibile la loro adozione.
Incremento normativo per gli organoidi
Tecnologia degli organoidi
Queste versioni in miniatura degli organi stanno rivoluzionando la ricerca medica con le loro capacità uniche. Gli organoidi cerebrali, ad esempio, forniscono informazioni preziose sullo sviluppo cerebrale umano e sulle malattie neurologiche, rendendoli ideali per testare farmaci e studiare mutazioni genetiche. Gli organoidi intestinali, con la loro replicazione accurata dell’epitelio intestinale, sono fondamentali per comprendere la biologia cellulare, la rigenerazione e i fenotipi della malattia correlati all’intestino. I tumori, derivati dai tumori dei pazienti, sono rivoluzionari nella ricerca sul cancro, consentendo la medicina personalizzata consentendo ai ricercatori di analizzare i biomarcatori tumorali e di effettuare lo screening per i farmaci antitumorali più efficaci. Gli organoidi polmonari replicano la struttura complessa e la funzione delle vie aeree, rendendoli perfetti per lo screening farmacologico e la modellazione delle malattie in condizioni respiratorie.
Collettivamente, questi diversi tipi di organoidi stanno aprendo la strada a progressi rivoluzionari nella ricerca medica e nello sviluppo terapeutico.
- Organoidi cerebrali
- Tumoroidi di carcinoma mammario
- organoidi cardiaci
- Organoidi di carcinoma del colon-retto (CRC)
- Organoidi intestinali
- Organoidi derivati da pazienti (tumoroidi)
- Organoidi polmonari (di polmone)
3 casi d’uso chiave degli organoidi
Poiché gli organoidi assomigliano così strettamente alle loro controparti di organi interni, si sono dimostrati un modello cellulare 3D accurato per lo studio delle malattie umane, lo screening dei farmaci e l’analisi di potenziali terapie. Sono anche uno strumento particolarmente utile per la medicina di precisione. Ad esempio, gli organoidi derivati dal paziente possono essere generati da individui con disturbi specifici e utilizzati per comprendere meglio la malattia, sviluppare farmaci e personalizzare terapie personalizzate.
Modellazione delle malattie
La modellazione delle malattie è una pietra miliare della ricerca biomedica, che offre sistemi che imitano il comportamento delle malattie in ambienti controllati per scoprire i loro meccanismi sottostanti e testare potenziali terapie.
Mentre i modelli tradizionali come le colture cellulari 2D e gli animali presentano limitazioni, gli organoidi offrono un’alternativa affidabile replicando la complessità del tessuto umano. Ciò le rende ideali per studiare malattie come l’Alzheimer, l’insufficienza cardiaca e il cancro. Gli organoidi potrebbero anche fornire una soluzione più accessibile per far progredire la ricerca sulle malattie rare, potenzialmente rivelando il trattamento per le malattie 7.000 rare che colpiscono 400 milioni di persone a livello globale, di cui solo 500 sono attivamente studiati.
Screening farmacologico
Lo screening farmacologico (HTS) ad alto rendimento ha rivoluzionato gli anni ’90 consentendo test rapidi di librerie composte da più milioni di persone utilizzando piastre a più pozzetti. L’approccio mirava a testare ogni composto in un’ampia libreria per trovarne alcuni attivi, ma il processo era ingombrante e spesso non riusciva a produrre risultati clinicamente rilevanti.
Oggi, il passaggio dai modelli 2D ai modelli biologici 3D avanzati come gli organoidi, combinati con l’automazione e la tecnologia IA, sta migliorando la precisione e la rilevanza di HTS, consentendo di individuare più rapidamente i farmaci candidati più promettenti.
PDO
Gli organoidi derivati dai pazienti (PDO), o tumoroidi, stanno rivoluzionando la scoperta farmacologica e la ricerca sul cancro offrendo modelli umani rilevanti derivati dai tumori dei singoli pazienti. Generate da biopsie tumorali o campioni chirurgici, queste colture 3D mantengono le caratteristiche molecolari dei tumori originali e presentano proprietà simili alle cellule staminali tumorali. Ciò li rende preziosi per comprendere le risposte farmacologiche specifiche del paziente, analizzare i biomarcatori tumorali e effettuare lo screening per i farmaci antitumorali più efficaci. In tumori difficili come il carcinoma mammario e colorettale, i PDO hanno dimostrato un potenziale superiore nella medicina di precisione e nelle applicazioni di scoperta farmacologica ad alto rendimento, in particolare quando supportati dall’automazione, dall’imaging ad alto contenuto e dall’analisi dei dati IA.
Le sfide degli organoidi
L’adozione della biologia 3D può presentare barriere significative, nonostante la promessa degli organoidi di offrire una maggiore prevedibilità e dati biologicamente più rilevanti rispetto ai modelli cellulari 2D. Tuttavia, comprendere queste sfide è il primo passo verso la ricerca di soluzioni per semplificare i processi e fornire ai pazienti terapie più sicure e necessarie più rapidamente.
Innovazione radicale richiesta
L’adozione dell’innovazione nella tecnologia degli organoidi è essenziale per rivoluzionare la scoperta farmacologica. Avanzando i protocolli, sfruttando l'automazione e incorporando la potenza dell'IA, possiamo migliorare l'accuratezza, ridurre i costi e accelerare le tempistiche di scoperta dei farmaci.
Organoidi pronti per il saggio
Attraverso il nostro Servizio di espansione degli organoidi e degli organoidi 3D Ready™, utilizziamo la tecnologia proprietaria dei bioreattori e dei bioprocessi per produrre PDO affidabili e di alta qualità su larga scala. Ciò include sia gli organoidi pronti per il saggio provenienti da linee curate sia la capacità di espandere linee di organoidi proprietarie per soddisfare esigenze di ricerca specifiche, fornendo modelli coerenti e rilevanti per l’uomo di alta qualità per una varietà di applicazioni.
Imaging ad alto rendimento e ad alto contenuto
Gli imager ad alte prestazioni svolgono un ruolo cruciale nella ricerca scientifica fornendo le immagini dettagliate e ad alta risoluzione necessarie per un'analisi e una scoperta accurate dei dati. La nostra linea crescente di sistemi di imaging ad alto contenuto ImageXpress® offre qualità delle immagini, velocità, ricchezza dei dati e accuratezza analitica impeccabili, in modo che i ricercatori possano visualizzare chiaramente processi biologici complessi per ottenere maggiori informazioni.
Intelligenza artificiale
IN Carta® Image Analysis Software è un potente software IA/ML che rivoluziona l'analisi delle immagini e l'efficienza del flusso di lavoro per la ricerca scientifica. Integrato nel nostro sistema automatizzato di coltura cellulare, semplifica il processo decisionale e migliora l’accuratezza dell’esperimento utilizzando le immagini per informare in ultima analisi l’automazione coerente del flusso di lavoro, l’alimentazione ottimale della coltura cellulare e gli eventi di passaggio tempestivo. La capacità di analisi trasforma anche immagini complesse in risultati facilmente interpretabili, invitando i ricercatori a esplorare i dati, identificare i cambiamenti fenotipici e scoprire nuove informazioni senza sforzo senza la necessità di competenze approfondite nella scienza dei dati.
coltura cellulare automatizzata
https://share.vidyard.com/watch/xgTqMVm4uWCZ4sfkPxycyE
Flusso di lavoro per lo screening di organoidi
L’implementazione di un flusso di lavoro end-to-end efficace e automatizzato per la scoperta farmacologica avanzata dipende dalla sua capacità di standardizzare e semplificare il processo di sviluppo degli organoidi, migliorando sia la produttività che l’accuratezza. Integrando soluzioni hardware e software collaudate, un flusso di lavoro automatizzato può facilitare tutto, dalla pre-coltura 2D delle cellule all’imaging confocale ad alto contenuto e all’analisi dei dati abilitata all’IA.
La nostra soluzione automatizzata di screening ad alto rendimento offre protocolli per la gestione della placcatura cellulare, del monitoraggio della coltura, dello scambio di terreni e del trattamento composto, coprendo sia le colture di organoidi a base di matrice che quelle senza matrice. L’automazione completa non solo migliora la precisione dei saggi sugli organoidi, ma consente anche un’analisi quantitativa complessa del contenuto cellulare e delle variazioni fenotipiche, rendendolo inestimabile per lo screening farmacologico e la modellazione delle malattie.
Visitate il Centro di innovazione sugli organoidi
Il centro si espande oltre l’imaging per presentare una soluzione totalmente integrata che permette di affrontare le sfide associate a ogni passaggio del percorso del campione, dalla preparazione al rapporto finale, per i saggi eseguiti su modelli biologici 3D complessi. Una soluzione completa permette di standardizzare il processo di sviluppo degli organoidi con le fasi di coltura cellulare, trattamento e incubazione mediante tecniche di imaging, analisi ed elaborazione dei dati, offrendo risultati omogenei, obiettivi e biologicamente rilevanti su larga scala.
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