Aan het begin van de 20e eeuw was de wetenschappelijke gemeenschap in opschudding. Gestimuleerd door de ontwikkeling van celcultuurtechnieken begon de wetenschappelijke gemeenschap zich te richten op het gebruik van innovatieve onderzoeksmodellen. Door cellen buiten levende organismen te laten leven, werd de weg vrijgemaakt voor in vitro testen, oftewel testen die buiten een levend organisme worden uitgevoerd, zoals in een reageerbuis of een kweekschaal. Deze belangrijke vooruitgang heeft aanzienlijk bijgedragen aan de ontdekking en ontwikkeling van nieuwe medicijnen.
Traditionele celkweeksystemen, waarin cellen in monolagen groeien onder statische omstandigheden, worden echter beperkt door een fundamenteel probleem: ze zijn niet ontworpen om de complexiteit en fysiologische omgeving van een levend organisme nauwkeurig na te bootsen. Hierdoor kunnen deze systemen slechts beperkt voorspellen hoe een molecuul de cellen in een levend organisme (in vivo) zal beïnvloeden. Het diermodel is daarom, bij gebrek aan beter, de ‘gold standard’ gebleven in het wetenschappelijk onderzoek.
Niettemin vertonen diermodellen genetische en fysiologische verschillen ten opzichte van de mens, wat aanzienlijke invloed kan hebben op de waargenomen veiligheid en werkzaamheid van moleculen. Het is dan ook niet verrassend dat 9 van de 10 moleculen die veelbelovende resultaten tonen in diermodellen ongeschikt blijken te zijn wanneer ze worden getest in klinische proeven op mensen.
Vooruitgang in wetenschappelijk onderzoek heeft geleid tot de ontwikkeling van micro-fysiologische systemen (MPS). Deze MPS zijn speciaal ontworpen om cellen zich te laten ontwikkelen in een complexe omgeving die hun natuurlijke omgeving nabootst. Op deze manier stimuleren MPS cellen om zich te gedragen zoals ze dat in vivo zouden doen. De meest voorkomende MPS zijn:
- Organoïden: 3D mini-organen gevormd uit cellen afkomstig van menselijke organen die de architectuur en functie van een menselijk orgaan nabootsen.
- Tumoroïden (of tumor-organoïden): 3D mini-tumoren gevormd uit tumorcellen afkomstig van patiënten die de menselijke tumor nabootsen.
- Orgaan-op-een-chip: een plastic chip gemaakt van levende menselijke cellen en weefsels om het menselijk lichaam zo goed mogelijk na te bootsen. Door micro-kanalen circuleert een kleine hoeveelheid vloeistof om onder andere de groeiende cellen te voeden. Hiermee wordt de bloedstroom gesimuleerd. Dit simuleert de bloedsomloop.
Uit steeds meer onderzoek blijkt dat MPS beter in staat zijn om het effect van geneesmiddelen in ontwikkeling op het menselijk lichaam te voorspellen dan traditionele diermodellen en celkweeksystemen (zie bijvoorbeeld Ewart et al. 2022et Ingber 2022). Als gevolg hiervan worden deze biologische instrumenten steeds meer beschouwd als essentiële modellen in biomedisch onderzoek. De ontwikkeling van steeds complexere MPS biedt niet alleen de mogelijkheid om de ontdekking en ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen aanzienlijk te verbeteren, maar versnelt ook de overgang naar proefdiervrije wetenschap.