Cómo los organoides pueden llevar más lejos a sus candidatos a fármacos

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Lanzar un fármaco candidato al mercado a menudo puede dar lugar a resultados clínicos inesperados debido al uso de datos no representativos en los pasos clave de la toma de decisiones. Muchas de las ineficiencias encontradas durante este proceso pueden estar directamente relacionadas con la falta sustancial de modelos preclínicos fisiológicamente relevantes.¹ Con la aprobación de la Ley de Modernización 2.0 de la FDA en diciembre de 2022, el apetito por herramientas clínicamente predictivas ha aumentado significativamente. Esta nueva directriz tiene como objetivo facilitar el progreso hacia la sustitución del uso de animales en la investigación biomédica y describe nuevos métodos de enfoque (NAM) que pueden usarse para reducir o reemplazar los estudios convencionales con animales.² Entre los NAM, la tecnología de organoides ha brindado a las compañías farmacéuticas la oportunidad de modelar más fielmente la biología humana al recapitular las propiedades complejas y fisiológicas del órgano representado.

Los organoides son cultivos de tejidos tridimensionales, caracterizados por su capacidad de autoorganizar múltiples tipos de células, específicas de los órganos, en estructuras similares a las observadas in vivo (Figura 1).³ En comparación con el cultivo bidimensional (2D) tradicional, los organoides proporcionan un sistema modelo fisiológicamente más relevante que recapitula el tejido de origen en una gran cantidad de pasajes. Al mantener fielmente la presencia de tipos de células especializadas, los organoides proporcionan una plataforma estable para simular las características biológicas únicas y la función de los tejidos de órganos primarios sanos y enfermos, proporcionando un sistema modelo relevante para el hombre que se presta bien a muchas etapas del descubrimiento de fármacos. y proceso de desarrollo.

Una de las aplicaciones de los organoides en la investigación de fármacos incluye pruebas de toxicidad preclínica y evaluaciones de seguridad. Los datos recopilados durante esta etapa del desarrollo de un fármaco son esenciales y sirven para identificar los posibles efectos negativos de un agente terapéutico. A pesar de la eficacia y seguridad probadas en cultivos 2D y modelos animales, la mayoría de los medicamentos fracasan en los ensayos clínicos, lo que indica una brecha significativa en la traducción, lo que subraya la necesidad de sistemas de «modelos relevantes para el hombre». Esto se debe a que los modelos 2D y los datos derivados de animales a menudo no reflejan la complejidad de las condiciones humanas in vivo, lo que ofrece un valor predictivo bajo de los resultados clínicos y obstaculiza el avance de candidatos prometedores del fármaco en etapas posteriores de los ensayos clínicos.

La razón más común por la que se abandonan los cables terapéuticos se debe principalmente a la falta de pruebas de seguridad y eficacia;⁴ Se estima que el 22% de los fracasos de los ensayos clínicos y el 32% de los retiros del mercado terapéutico se deben a hepatotoxicidad.⁵ Los organoides hepáticos humanos (HLO) se utilizan cada vez más para generar datos preclínicos para predecir el riesgo de lesión hepática inducida por fármacos (DILI) de los compuestos terapéuticos. En un estudio realizado por Zhang et al., los autores descubrieron que los sistemas HLO en chip y de alto rendimiento mostraban funciones mejoradas similares in vivo y estaban sujetos a evaluaciones de riesgos DILI. Además, el modelo HLO en chip pudo predecir la hepatotoxicidad sinérgica del uso de tenofovir e inarigivir como terapia combinada para tratar el virus de la hepatitis B (VHB) y reflejar la manifestación clínica de DILI observada en los pacientes.⁵ Otro estudio desarrolló un ensayo basado en HLO con lecturas multiplexadas que incluyen viabilidad, toxicidad colestásica y mitocondrial con altos valores predictivos para 238 fármacos comercializados en 4 concentraciones diferentes.¹ Esta prueba de toxicidad basada en HLO pudo predecir una predisposición genómica (CYP2C92) a DILI causada por el medicamento bosentan y puede desarrollarse aún más en ensayos para optimización de compuestos, estudios mecanicistas y medicina personalizada. Para obtener más información sobre el uso de organoides hepáticos para evaluaciones de hepatotoxicidad, vea nuestro seminario web sobre Modelos predictivos in vitro para pruebas e investigación de toxicidad hepática.

La aplicación de modelos organoides en las pruebas de toxicidad no sólo se limita a la investigación del hígado sino que también incluye muchos órganos esenciales para la vía farmacocinética (ADME). Las toxicidades gastrointestinales (TGI) inducidas por fármacos son una de las causas menos probables de abandono en la fase preclínica a pesar de ser el efecto adverso más común observado en los ensayos clínicos.⁶ Este paradigma actual de evaluación de la seguridad da como resultado que las responsabilidades recaigan en el paciente, obligándolo a soportar la carga de una calidad de vida reducida. En un escenario ideal, los TGI se identifican tempranamente y se examinan con modelos relevantes para los humanos capaces de predecir resultados clínicos. Takahashi et al. Pudieron desarrollar un ensayo de citotoxicidad de fármacos utilizando organoides intestinales humanos en cultivo monocapa. Los autores realizaron una selección de compuestos e identificaron compuestos con mayor actividad citotóxica contra las células epiteliales intestinales (IEC) derivadas de organoides que las células Caco-2, lo que dilucida aún más el mecanismo de acción de YC-1.⁷ Esta nueva metodología destaca las diferencias en las vías de señalización intracelular entre las células Caco-2 y las IEC normales, lo que sugiere posibles aplicaciones de este ensayo para la detección del TGI. Para incorporar organoides intestinales en la detección del tracto gastrointestinal, consulte nuestro protocolo sobre pruebas de toxicidad para el desarrollo de fármacos utilizando organoides intestinales humanos e ItestiCult™.

En las etapas de metabolismo y excreción de la vía farmacocinética, los riñones pueden ser susceptibles a la nefrotoxicidad inducida por fármacos. En un estudio de Lawrence et al., los autores desarrollaron un ensayo predictivo identificando HMOX1 como un marcador útil para el estrés tóxico y organoides renales diseñados con indicadores de HMOX1 como herramientas de detección. Cuando se expusieron a ciegas a un panel de compuestos nefrotóxicos y no tóxicos, descubrieron que los organoides informadores podían predecir con éxito la toxicidad de agentes nefrotóxicos conocidos.⁸ Aunque existen algunas limitaciones con el ensayo, los resultados ofrecen un punto de partida prometedor para guiar el desarrollo de futuros ensayos de organoides que informen sobre el estrés para el desarrollo de fármacos.

Fuera de la vía ADME, los organoides neuronales desempeñan un papel esencial en la investigación de enfermedades cerebrales y la evaluación de fármacos. Los trastornos neurológicos son algunas de las áreas terapéuticas más desafiantes para la aprobación exitosa de medicamentos, lo que presenta una necesidad urgente de avanzar en herramientas nuevas e innovadoras para el desarrollo de medicamentos. Yokoi et al. Pudieron desarrollar un método para evaluar y detectar la probabilidad de convulsiones preclínicas de los fármacos antiepilépticos (FAE) centrándose en componentes de señal <500 Hz en organoides neurales derivados de iPSC utilizando matrices cepilladoras de microelectrodos (MEA).⁹ Se evaluó la respuesta organoide a los convulsivos y resultó en disparos repentinos y persistentes similares a convulsiones, mientras que en la administración de FAE, la frecuencia de oscilación disminuyó de manera dependiente de la concentración. Este estudio sugiere que el análisis de los componentes de frecuencia de los organoides neurales es una evaluación eficaz de la capacidad convulsiva de fármacos y FAE y puede desarrollarse aún más para estudiar el tratamiento de diversas enfermedades neurológicas. Para aportar más conocimientos sobre la investigación neuronal a su laboratorio, solicite un gráfico mural gratuito que resuma las aplicaciones y los desafíos del desarrollo de organoides neuronales humanos.

En conclusión, los organoides han demostrado un gran potencial en pruebas de toxicidad preclínica y evaluaciones de seguridad para el desarrollo de fármacos. Tener un sistema fisiológicamente más relevante es esencial para ayudar a cerrar la brecha traslacional y acelerar la entrega de terapias efectivas a los pacientes que las necesitan. Al crear estrategias para resolver los problemas más complejos en el desarrollo de fármacos, contar con las herramientas y los recursos adecuados que puedan mantenerse al día con sus ideas es esencial para maximizar la eficiencia. STEMCELL Technologies puede respaldar cada etapa de su investigación con kits de medios organoides optimizados, programas de capacitación y recursos adicionales ubicados en nuestro Centro de aprendizaje de investigación de organoides. Para obtener más información sobre cómo elegir el kit de medios adecuado para usted, o para obtener más información sobre los organoides en el descubrimiento de fármacos, comuníquese con nuestros especialistas en organoides o solicite un seminario para conectarse con nuestro equipo de organoides.