Biología 3D: El cambio de paradigma en el descubrimiento de fármacos de próxima generación [Infografía interactiva]
Publicado originalmente: 19 de abril de 2023
El panorama del descubrimiento de fármacos está cambiando
19 de abril de 2023 La comercialización de un fármaco ha sido históricamente lenta y costosa, y muchos candidatos fracasaron en la primera fase de los ensayos clínicos. Cada vez hay más pruebas que sugieren que el cribado de compuestos al principio del proceso utilizando modelos tradicionales, como animales y cultivos celulares propagados en 2D, puede ser un factor contribuyente.
Los investigadores ahora están navegando hacia sistemas 3D complejos y relevantes para el ser humano como los organoides, ya que se cree que representan mejor cómo podría responder el cuerpo al tratamiento.
Disfrute de nuestra infografía interactiva mientras profundiza en por qué la industria está adoptando esta nueva generación de descubrimiento de fármacos y las innovaciones que apoyan a los científicos en su experiencia en biología 3D.
¿Qué es el paradigma de descubrimiento de fármacos?
La biología 3D es la próxima generación de descubrimiento de fármacos: una transición de los cultivos celulares 2D y los modelos animales a modelos celulares 3D y sistemas humanos más relevantes biológicamente.
Comience su viaje de la biología 2D a la 3D en nuestro último blog mientras le mostramos lo que se necesita para entrar en este nuevo paradigma de descubrimiento de fármacos y cómo investigadores de todo el mundo están haciendo la transición de sus pantallas compuestas de los cultivos celulares 2D y modelos animales a sistemas 3D más complejos y relevantes para el ser humano como los organoides.
La revolucionaria promesa de la biología 3D
Los modelos relevantes para el ser humano proporcionan información temprana sobre las interacciones farmacológicas con las células humanas, detectando problemas de eficacia y toxicidad preclínicamente. El campo emergente de la biología 3D está revolucionando el cribado de fármacos y la comprensión de las enfermedades, ofreciendo una ventaja única en la predicción de las respuestas humanas a nuevos tratamientos.
El camino costoso y largo del desarrollo de fármacos
A pesar de las inversiones de miles de millones de dólares, obtener la aprobación de nuevos fármacos sigue siendo un proceso largo y costoso, principalmente debido a las altas tasas de abandono. Los cultivos celulares 2D tradicionales y los modelos animales a menudo no predicen el rendimiento de los fármacos en humanos, lo que hace que muchos fármacos potenciales no se cumplan durante el desarrollo.
Un asombroso 75% de los costes de investigación y desarrollo provienen de los fracasos: fondos gastados en proyectos que inicialmente parecen prometedores pero que posteriormente se consideran ineficaces, inseguros o comercialmente inviables durante los ensayos en humanos. Está claro que el proceso de desarrollo de fármacos necesita una revolución, y los organoides pueden ser la clave para lograrlo.
Limitaciones de los modelos celulares convencionales
Aparte de la consideración ética, los modelos celulares tradicionales en la investigación de fármacos, ya sean líneas celulares 2D, modelos animales pequeños o primates no humanos, se enfrentan a desafíos de traducibilidad que dificultan su éxito en el traslado de los tratamientos de la mesa de trabajo a la cabecera del paciente.
Para abordar esto, el paradigma de descubrimiento de fármacos aprovecha los sistemas de modelos relevantes para el ser humano a lo largo del descubrimiento de fármacos para mejorar las tasas de éxito clínico y reducir la dependencia de los modelos animales. Los organoides están reduciendo la brecha de traducibilidad al predecir con precisión los resultados del fármaco. Los estudios indican que los fármacos que fracasan con los organoides de los pacientes en ensayos preclínicos probablemente fracasarán en pacientes reales, mientras que una alta tasa de éxito se traducirá en resultados eficaces de los pacientes.
A pesar de su potencial, el crecimiento de organoides puede requerir mucho trabajo y mucho tiempo, lo que afecta a la escalabilidad. Sin embargo, las tecnologías de cultivo celular automatizado y los organoides listos para ensayos están mejorando la escalabilidad para hacer que su adopción sea más factible.
Refuerzo regulador de los organoides
Tecnología de organoides
Estas versiones en miniatura de los órganos están revolucionando la investigación médica con sus capacidades únicas. Los organoides cerebrales, por ejemplo, proporcionan información valiosa sobre el desarrollo cerebral humano y las enfermedades neurológicas, lo que los hace ideales para probar fármacos y estudiar mutaciones genéticas. Los organoides intestinales, con su replicación precisa del epitelio intestinal, son cruciales para comprender la biología celular, la regeneración y los fenotipos de la enfermedad relacionados con el intestino. Los tumoroides, derivados de los tumores de los pacientes, son revolucionarios en la investigación del cáncer, lo que permite la medicina personalizada al permitir a los investigadores analizar biomarcadores tumorales y detectar los fármacos antineoplásicos más eficaces. Los organoides pulmonares replican la compleja estructura y función de las vías respiratorias, lo que los hace perfectos para el cribado de fármacos y el modelado de enfermedades en afecciones respiratorias.
En conjunto, estos diversos tipos de organoides están allanando el camino para avances revolucionarios en la investigación médica y el desarrollo terapéutico.
- Organoides cerebrales
- Tumoroides de cáncer de mama
- Órganos del corazón
- Organoides de cáncer colorrectal (CCR)
- Organoides intestinales
- Organoides derivados de pacientes (tumoroides)
- Organoides pulmonares (de pulmón)
3 casos clave de uso de organoides
Dado que los organoides se asemejan tanto a sus homólogos de órganos internos, han demostrado ser un modelo celular 3D preciso para estudiar enfermedades humanas, detectar fármacos y probar posibles tratamientos. También son una herramienta especialmente útil para la medicina de precisión. Por ejemplo, los organoides derivados de pacientes pueden generarse a partir de personas con dolencias específicas y utilizarse para comprender mejor la enfermedad, desarrollar fármacos y personalizar tratamientos personalizados.
modelos de enfermedades
El modelado de enfermedades es una piedra angular de la investigación biomédica, que ofrece sistemas que imitan el comportamiento de las enfermedades en entornos controlados para descubrir sus mecanismos subyacentes y probar posibles tratamientos.
Aunque los modelos tradicionales como los cultivos celulares 2D y los animales tienen limitaciones, los organoides ofrecen una alternativa fiable al replicar la complejidad del tejido humano. Esto los hace ideales para estudiar enfermedades como el Alzheimer, la insuficiencia cardíaca y el cáncer. Los organoides también podrían proporcionar una solución más accesible para avanzar en la investigación de enfermedades raras, posiblemente descubriendo el tratamiento para las enfermedades 7000 raras que afectan a 400 millones de personas en todo el mundo, de las cuales solo 500 se estudian activamente.
Cribado de fármacos
El cribado de fármacos (HTS) de alto rendimiento revolucionó la década de 1990 al permitir la realización rápida de pruebas de bibliotecas compuestas de varios millones utilizando placas de varios pocillos. El enfoque pretendía probar cada compuesto en una extensa biblioteca para encontrar algunos activos, pero el proceso era engorroso y a menudo no producía resultados clínicamente relevantes.
Hoy en día, el cambio de los modelos 2D a modelos biológicos 3D avanzados como los organoides, combinados con la automatización y la tecnología de IA, está mejorando la precisión y relevancia de HTS, lo que permite identificar más rápidamente a los candidatos a fármacos más prometedores.
PDO
Los organoides derivados de pacientes (PDO) o tumoroides están revolucionando el descubrimiento de fármacos y la investigación del cáncer al ofrecer modelos humanos relevantes derivados de tumores de pacientes individuales. Estos cultivos 3D, generados a partir de biopsias tumorales o muestras quirúrgicas, mantienen las características moleculares de los tumores originales y muestran propiedades similares a las de las células madre cancerosas. Esto hace que sean inestimables para comprender las respuestas farmacológicas específicas de los pacientes, analizar biomarcadores tumorales y detectar los fármacos antineoplásicos más eficaces. En cánceres difíciles como el cáncer de mama y colorrectal, los PDO han demostrado un potencial superior en la medicina de precisión y las aplicaciones de descubrimiento de fármacos de alto rendimiento, especialmente cuando están respaldados por la automatización, la obtención de imágenes de alto contenido y el análisis de datos de IA.
Los desafíos de los organoides
La adopción de la biología 3D puede presentar barreras significativas, a pesar de la promesa de que los organoides ofrecen una mayor previsibilidad y datos más relevantes biológicamente que los modelos celulares 2D. Sin embargo, comprender estos desafíos es el primer paso para encontrar soluciones que optimicen los procesos y ofrezcan tratamientos más seguros y necesarios a los pacientes más rápido.
Se requiere innovación radical
Adoptar la innovación en la tecnología organoide es esencial para revolucionar el descubrimiento de fármacos. Al avanzar en los protocolos, aprovechar la automatización e incorporar la potencia de la IA, podemos mejorar la precisión, reducir los costes y acelerar los plazos de descubrimiento de fármacos.
Organoides listos para los ensayos
A través de nuestro Servicio de Expansión de Organoides y Organoides Ready 3D, utilizamos tecnología patentada de biorreactores y bioprocesos para producir PDO fiables y de alta calidad a escala. Esto incluye tanto los organoides listos para el ensayo de líneas seleccionadas como la capacidad de expandir líneas de organoides patentadas para satisfacer necesidades de investigación específicas, proporcionando modelos relevantes para el ser humano coherentes y de alta calidad para una variedad de aplicaciones.
Imágenes de alto rendimiento y alto contenido
Los generadores de imágenes de alto rendimiento desempeñan un papel crucial en la investigación científica al proporcionar las imágenes detalladas de alta resolución necesarias para el análisis y descubrimiento precisos de datos. Nuestra creciente línea de sistemas de adquisición de imágenes de alto contenido ImageXpress® ofrece una calidad de imagen, velocidad, riqueza de datos y precisión analítica impecables, para que los investigadores puedan visualizar claramente procesos biológicos complejos para obtener más información.
Inteligencia artificial
IN Carta® Image Analysis Software es un potente software de IA/ML que revoluciona el análisis de imágenes y la eficiencia del flujo de trabajo para la investigación científica. Integrado en nuestro sistema automatizado de cultivo celular, simplifica la toma de decisiones y mejora la precisión del experimento mediante el uso de imágenes para, en última instancia, informar de una automatización coherente del flujo de trabajo, una alimentación óptima del cultivo celular y eventos de paso oportunos. La capacidad de análisis también transforma imágenes complejas en resultados fácilmente interpretables, invitando a los investigadores a explorar datos, identificar cambios fenotípicos y descubrir nuevas perspectivas sin esfuerzo sin necesidad de una profunda experiencia en ciencia de datos.
Sistema de cultivo celular automatizado
https://share.vidyard.com/watch/xgTqMVm4uWCZ4sfkPxycyE
Flujo de trabajo para el cribado de organoides
La implementación de un flujo de trabajo de extremo a extremo automatizado y eficaz para el descubrimiento avanzado de fármacos depende de su capacidad para estandarizar y optimizar el proceso de desarrollo de organoides, mejorando tanto el rendimiento como la precisión. Al integrar soluciones de hardware y software probadas, un flujo de trabajo automatizado puede facilitar todo, desde el precultivo 2D de células hasta la adquisición de imágenes confocales de alto contenido y el análisis de datos habilitado por IA.
Esta solución automatizada de cribado de alto rendimiento ofrece protocolos para gestionar la siembra celular, la monitorización de cultivos, el intercambio de medios y el tratamiento de compuestos, cubriendo cultivos de organoides basados en matriz y sin matriz. La automatización integral no solo mejora la precisión de los ensayos de organoides, sino que también permite un análisis cuantitativo complejo del contenido celular y los cambios fenotípicos, lo que lo hace inestimable para el cribado de fármacos y el modelado de enfermedades.
Visitar el Centro de Innovación de Organoides
El centro se expande más allá de la adquisición de imágenes para mostrar una solución completamente integrada que aborda los problemas asociados con cada paso en el proceso de preparación de la muestra a la generación de informes para ensayos realizados en modelos biológicos 3D complejos. Una solución completa estandariza el proceso de desarrollo de organoides con cultivo celular, tratamiento e incubación, a través de la adquisición, análisis y procesamiento de datos de imágenes, proporcionando resultados uniformes, sin sesgo y biológicamente relevantes a escala.
¿Le ha inspirado a explorar una transición de la biología 2D a la 3D? ¿Encontrar soluciones para sus desafíos organoides? ¿O para escalar el trabajo que ya está haciendo?
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