Mendapatkan obat baru dari sebuah ide di laboratorium kimia ke pasar membutuhkan waktu bertahun-tahun dan miliaran dolar. Setiap tahun hanya beberapa lusin obat baru disetujui untuk digunakan di Amerika Serikat.
“Organ-on-chip” manusia memimpin revolusi dalam pengujian keamanan obat. Perangkat ini menggunakan sel manusia untuk memodelkan struktur dan fungsi organ dan jaringan manusia. Dengan menguji efek potensial obat pada organ yang berbeda lebih cepat daripada metode tradisional, organ-on-chip dapat mengurangi kebutuhan untuk penelitian pada hewan dan lebih baik memprediksi obat baru mana yang secara efektif akan mengobati penyakit manusia.
Sebagai bagian dari tim peneliti interdisipliner, kami sedang mengerjakan ginjal-on-a-chip untuk meningkatkan pemahaman kami tentang bagaimana penyakit ginjal dimulai dan obat mana yang dapat dengan aman mengobatinya.
**********
Secara historis, pengujian laboratorium untuk obat baru dilakukan dalam sel yang tumbuh di piring atau labu. Jika suatu obat lolos tes skrining awal in vitro, peneliti selanjutnya mengujinya secara in vivo pada hewan hidup untuk menentukan efek obat baru pada keseluruhan sistem, bukan hanya satu jenis sel pada suatu waktu. Akhirnya, setelah bertahun-tahun penyelidikan laboratorium, para peneliti akan menguji obat baru yang menjanjikan pada orang untuk melihat apakah itu aman dan efektif.
Masalahnya adalah 9 dari 10 obat ini tidak pernah berhasil dari tes manusia skala kecil kepada pasien karena ternyata tidak efektif atau beracun, bahkan jika mereka menunjukkan hasil yang menjanjikan dalam pengujian awal.
Organ-on-chip memiliki potensi untuk sepenuhnya mengubah sistem itu. Mulai dari ukuran kuku hingga kartu kredit, mereka terdiri dari saluran cairan dan kamar kecil yang berisi sampel sel manusia. Organ dalam chip yang sedang dikembangkan di laboratorium di seluruh negeri termasuk ginjal, paru-paru, hati, usus, kulit, otak, jantung, tulang, dan sistem reproduksi.
Dalam sebuah organ-on-a-chip, cairan yang mengalir memasok sel-sel dengan oksigen dan nutrisi, mirip dengan cara darah menopang sel-sel dalam tubuh manusia. Aliran konstan inilah yang membuat perangkat ini istimewa. Sel yang tumbuh dalam perangkat organ-on-chip bertindak lebih seperti sel dalam organ manusia daripada sel yang tumbuh di piring datar tanpa aliran.
Cairan beredar melalui ginjal-on-a-chip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Ginjal sangat penting bagi kesehatan manusia secara keseluruhan. Dua buah ginjal berukuran kepalan tangan mengeluarkan obat-obatan dan senyawa yang tidak diinginkan dari tubuh dan memainkan peran penting dalam menjaga keseimbangan garam dan air, tekanan darah dan vitamin D serta kesehatan tulang. Kondisi genetik dan bahkan obat-obatan yang biasa diberikan dapat, dalam beberapa keadaan, merusak ginjal.
Di AS, 15 persen orang dewasa memiliki penyakit ginjal. Tetapi kebanyakan bahkan tidak mengetahuinya, karena penyakit ginjal sering tidak menunjukkan gejala sampai kondisinya sangat lanjut. Ada kebutuhan mendesak untuk memahami bagaimana penyakit ginjal dimulai, dan untuk mengembangkan perawatan baru yang aman dan efektif.
Di sini, di Universitas Washington, tim peneliti ginjal-on-a-chip kami terdiri dari para ilmuwan dari berbagai disiplin ilmu, termasuk farmasi, ilmu farmasi, nefrologi (obat ginjal), toksikologi, biokimia dan bioteknologi.
Dalam kemitraan dengan Nortis, Inc., sebuah perusahaan bioteknologi lokal, tim kami telah menciptakan perangkat kecil - ukuran kartu nama - dengan hingga tiga tabung kecil, masing-masing seperseribu ukuran setetes air, berisi 5.000 manusia sel-sel ginjal. Ketika sejumlah kecil cairan dipompa melalui tabung, sel-sel ginjal terkena sinyal penting yang membantu sel-sel dalam chip berperilaku seolah-olah mereka berada di ginjal yang hidup.
Kami telah menemukan bahwa sel-sel ginjal melepaskan sinyal - disebut biomarker - cedera ketika terkena racun ginjal yang diketahui. Penelitian kami menunjukkan bahwa sel-sel pada chip mengeluarkan tanda-tanda cedera yang umum terlihat pada urin orang dengan kerusakan ginjal. Pengujian dengan metode lama, menggunakan sel di piring, tidak menunjukkan kerusakan dengan perlakuan yang sama. Ini menunjukkan bahwa ginjal-on-a-chip mungkin lebih baik daripada metode yang ada dalam memprediksi jika obat baru akan menyebabkan kerusakan ginjal pada manusia.
Perangkat ini melakukan pekerjaan yang lebih baik untuk menguji bagaimana molekul mempengaruhi sel manusia yang hidup. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Sekarang setelah mendapatkan hasil yang menjanjikan ini, tim-tim ilmiah di seluruh negeri mulai menghubungkan organ-organ yang berbeda bersama-sama untuk mereplikasi sistem multi-organ yang lebih kompleks, untuk memberikan wawasan yang lebih besar tentang bagaimana obat mempengaruhi orang. Sebagai contoh, kami dapat menghubungkan liver-on-a-chip dengan ginjal-on-a-chip untuk mempelajari bagaimana ekstrak tumbuhan yang digunakan dalam beberapa obat herbal, yang disebut asam aristolochic, merusak sel-sel ginjal. Investigasi chip-to-chip ini memperkuat kebutuhan organ-on-a-chip yang saling berhubungan untuk mereplikasi mekanisme kompleks dalam tubuh manusia.
Pada tahun mendatang, proyek ginjal-on-a-chip kami akan menjadi salah satu dari beberapa yang dikirim ke Stasiun Luar Angkasa Internasional di mana gravitasi rendah mempercepat perubahan sel, kadang-kadang menyebabkan masalah kesehatan bagi para astronot. Stasiun Luar Angkasa bisa menjadi tempat yang tepat untuk mencari tahu lebih banyak tentang penyakit ginjal dalam beberapa minggu, bukan bertahun-tahun atau beberapa dekade.
Organ-on-chip juga dapat digunakan untuk menemukan target obat baru. Tim kami mengevaluasi ginjal pada chip sebagai alat untuk mempersonalisasikan pemilihan obat dan dosis pada orang dengan kanker ginjal, penyakit ginjal polikistik dan penyakit ginjal kronis. Laboratorium organ-on-chip lain di seluruh negeri sedang mempelajari penyakit pada sistem kekebalan tubuh, otak, paru-paru, jantung dan pembuluh darah. Dengan bekerja bersama, puluhan tim peneliti mengembangkan teknologi baru ini untuk merevolusi penemuan obat, yang mengarah pada pengembangan obat yang lebih baik dan lebih aman untuk semua.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Catherine Yeung, Asisten Peneliti Profesor Farmasi, Universitas Washington
Edward Kelly, Associate Professor of Pharmaceutics, University of Washington
Jonathan Himmelfarb, Direktur Institut Penelitian Ginjal dan Profesor Kedokteran, Universitas Washington
