Технологии «орган-на-чипе» и тканевой инженерии

Главная / Блог / Биотехнология / Технологии «орган-на-чипе» и тканевой инженерии

Введение  

Технология «орган-на-чипе» (OOC) представляет собой революционный шаг в биомедицинских исследованиях, объединяющий достижения в области клеточной биологии, инженерии и технологии биоматериалов для создания микросред, имитирующих функции органов человека. 

Эта технология служит связующим звеном между традиционными клеточными культурами и исследованиями in vivo, предлагая более точные модели для тестирования лекарственных препаратов, моделирования заболеваний и персонализированной медицины.

Содержание

Ключевые технологии в разработке «органов на чипе» (OoC)

Технология «орган-на-чипе» (OoC) основана на нескольких передовых достижениях, которые позволяют создавать миниатюрные функциональные копии человеческих органов. 

Эти технологии объединяют принципы из различных дисциплин, включая микроинженерию, клеточную биологию и материаловедение, для воспроизведения физиологических функций тканей и органов человека. Ниже приведены основные технологии, которые лежат в основе разработки и функциональности OoC-устройств:

1. Микрофлюидика

  • Роли: Микрофлюидика является краеугольным камнем технологии OoC. Она включает в себя манипуляцию жидкостями в микромасштабе, что позволяет точно контролировать клеточную среду внутри чипа.

    Микрожидкостные каналы имитируют кровоток, позволяя транспортировать питательные вещества, лекарства и отходы так же, как это происходит в человеческих органах.

  • Приложения: Микрофлюидные системы используются для моделирования различных систем органов, таких как легкие, печень и сердце.

    Эти системы могут воссоздавать сложные физиологические условия, включая напряжение сдвига и давление, которые необходимы для поддержания функции и структуры клеток.

2. 3D клеточная культура

  • Роли: Традиционные двумерные (2D) клеточные культуры неточно воспроизводят трехмерную структуру и функцию человеческих тканей.

    Напротив, технология 3D-культивирования клеток позволяет клеткам расти в более естественной среде, образуя тканеподобные структуры, которые имеют решающее значение для функционирования органов.

  • Приложения: 3D-культуры клеток имеют решающее значение для создания моделей конкретных органов, таких как печень на чипе или сердце на чипе.

    Эти модели позволяют проводить более точные исследования токсичности лекарственных препаратов, прогрессирования заболеваний и клеточных взаимодействий в контексте, максимально точно имитирующем физиологию человека.

3. Биопечать

  • Роли: Технология биопечати позволяет создавать сложные структуры тканей путем точного размещения клеток и биоматериалов слой за слоем.

    Эта технология имеет важное значение для построения архитектуры тканей в устройствах OoC, гарантируя, что пространственная организация клеток будет соответствовать таковой в реальных человеческих органах.

  • Приложения: Биопечать используется для изготовления на чипах таких тканей, как кожа, печень и сердечная мышца.

    Эта технология особенно ценна в регенеративной медицине, где она помогает создавать модели для восстановления и замены тканей.

4. Биосенсоры и мониторинг в реальном времени

  • Роли: Биосенсоры, интегрированные в платформы OoC, позволяют осуществлять непрерывный мониторинг различных физиологических параметров, таких как pH, уровень кислорода и метаболическая активность.

    Эти датчики предоставляют данные в режиме реального времени о состоянии здоровья и функционировании тканей внутри чипа, позволяя получить представление о реакциях клеток на лекарственные препараты или изменения окружающей среды.

  • Приложения: Мониторинг в режиме реального времени с помощью биосенсоров имеет решающее значение для тестирования лекарственных препаратов, поскольку понимание того, как ткани реагируют на лечение с течением времени, может помочь в корректировке дозировки и разработке терапевтических стратегий.

5. Методы микропроизводства

  • Роли: Микропроизводство включает в себя использование таких методов, как мягкая литография, фотолитография и травление для создания микромасштабных структур внутри OoC-устройств.

    Эти методы позволяют точно проектировать микроканалы и камеры, в которых размещаются клетки и ткани на платформах OoC.

  • Приложения: Микротехнология используется для создания сложных сетей внутри чипов, которые имитируют кровеносные сосуды, дыхательные пути и другие структуры, специфичные для органов.

    Такой уровень точности необходим для воспроизведения сложных условий работы человеческих органов.

6. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК)

  • Роли: iPSC — это взрослые клетки, генетически перепрограммированные в состояние, подобное эмбриональным стволовым клеткам.

    Эти клетки могут дифференцироваться в любой тип клеток, что делает их идеальными для создания моделей органов пациента на чипах. Эта технология имеет решающее значение для персонализированных медицинских приложений в рамках платформ OoC.

  • Приложения: iPSC используются для создания моделей органов, которые отражают генетический состав отдельных пациентов, что позволяет изучать механизмы заболеваний и реакции на лекарственные препараты с учетом конкретных генетических профилей.

7. Передовые материалы

  • Роли: Разработка устройств OoC также в значительной степени зависит от использования современных материалов, таких как биосовместимые полимеры и гидрогели. Эти материалы обеспечивают структурную основу для чипов и поддерживают рост и поддержание живых клеток.
  • Приложения: Такие материалы, как полидиметилсилоксан (PDMS), обычно используются в устройствах OoC из-за их гибкости, оптической прозрачности и совместимости с технологиями микропроизводства.

    Гидрогели часто используются для имитации внеклеточного матрикса, обеспечивая благоприятную среду для роста клеток.

Используйте наши услуги по исследованию рынка чтобы получить конкурентное преимущество в своей отрасли!

Анализ патентного ландшафта в области технологии «орган-на-чипе»

Технология «орган-на-чипе» (OoC) — это динамично развивающаяся область, которая сочетает микрофлюидную технологию с клеточной биологией для имитации сложных биохимических и механических процессов в человеческих органах. 

Эта технологическая конвергенция имеет значительные последствия для фармацевтических исследований, моделирования заболеваний и персонализированной медицины. патентный ландшафт предоставляет нам возможность оценить рост, тенденции и стратегические направления в этой области.

Подробный обзор патентной деятельности (2008-2022)

Данные за период с 2008 по 2022 год демонстрируют развивающуюся тенденцию в патентных заявках, связанных с технологией OoC:

  • Эволюция патентных заявок: В первые годы наблюдается умеренный, но устойчивый рост числа патентных заявок, что отражает зарождающуюся стадию развития технологии OoC.

    Резкий рост активности наблюдается в середине десятилетия, достигая пика в 2019–2020 годах, что свидетельствует о фазе зрелости, когда технология начинает находить более широкое применение и интерес.
    Последующее снижение числа новых заявок может указывать на консолидацию рынка или переход к совершенствованию существующих технологий вместо изучения новых возможностей.

  • Динамика правового статуса: Переход от большинства выданных патентов к растущему числу патентов, ожидающих рассмотрения, к 2022 году свидетельствует об усилении конкуренции в этой области, поскольку новые инновации все еще находятся на рассмотрении.

Патенты на технологии OOC в правовом ландшафте

Наличие значительного количества «мертвых» патентов свидетельствует о естественном сокращении числа инноваций, когда не все разработки достигают коммерческой жизнеспособности или сохраняют свою правовую защиту.

Географическое и институциональное распределение патентов

  • Глобальное распространение: Северная Америка и Азия лидируют по числу патентных заявок, что подчеркивает их роль как центров технологических инноваций.

    В этих регионах лидируют США и Китай, вероятно, благодаря своей надежной технологической инфраструктуре и значительным инвестициям в биомедицинские и микрофлюидные исследования.

  • Ведущие держатели патентов: Такие академические учреждения, как Массачусетский технологический институт и Калифорнийский университет, играют видную роль, что подчеркивает значительную роль академических исследований в развитии технологий OoC.

Владельцы патентов на технологию OOC

Большой объем патентных заявок отражает активность отделов НИОКР и тесную связь между университетскими исследованиями и практическим применением.

  • Корпоративное взаимодействие: Крупные технологические и биотехнологические компании, такие как Roche и Agilent Technologies, демонстрируют коммерческий интерес к технологии OoC.

    Их деятельность подчеркивает живой интерес к использованию OoC для тестирования и разработки лекарственных препаратов, что может сократить затраты и время, связанные с клиническими испытаниями.

Стратегические последствия и динамика рынка

  • Тенденции исследований и разработок: Текущие патентные заявки свидетельствуют об активной деятельности по разработке более совершенных и сложных моделей OoC.

    Это включает в себя усилия по интеграции моделей нескольких органов в единые платформы для моделирования реакций всего организма, что является передовым достижением в области, известной как «тело на чипе».

  • Выход на рынок и барьеры: Выход многочисленных академических игроков в патентное пространство может снизить барьеры для инноваций благодаря обмену знаниями и сотрудничеству.

    Однако высокая стоимость разработки технологий и строгие нормативные требования создают проблемы.

  • Стратегия интеллектуальной собственности (ИС): Обширные заявки на права интеллектуальной собственности служат как защитным механизмом для защиты запатентованных технологий, так и стратегическим активом, который можно использовать посредством лицензирования или партнерства.

    Фирмы и учреждения должны ориентироваться в сложном ландшафте интеллектуальной собственности, чтобы защитить свои инновации, одновременно создавая благоприятную среду для исследований и сотрудничества.

Будущие направления и технологическое влияние

  • Технологические преимущества: Будущие исследования могут быть сосредоточены на повышении точности моделей OoC в отношении физиологии человека, улучшении масштабируемости технологии и интеграции автоматизированных систем для анализа данных в реальном времени.
  • Клиническое и фармацевтическое применение: По мере развития технологии OoC ее влияние на персонализированную медицину может стать более значительным, что позволит проводить более точные и персонализированные терапевтические вмешательства на основе индивидуальных реакций органов, моделируемых на чипах.

Рыночный ландшафт индустрии органов-на-чипе

Текущий размер рынка и прогнозируемый рост

Индустрия органов на чипе (ОЧ) переживает бурный рост, обусловленный достижениями в области биотехнологий и растущим спросом на альтернативы испытаниям на животных.

По состоянию на 2023 год мировой рынок OoC оценивался примерно в 100 миллионов долларов США, а прогнозы предполагают, что к 487 году объем рынка может достичь 2028 миллионов долларов США. Это отражает совокупный годовой темп роста (CAGR) около 33% в период с 2023 по 2028 год.

Несколько факторов способствуют этому росту, включая растущее внедрение технологии OoC в разработку лекарств, тестирование токсичности и персонализированную медицину. Стремление к более этичным и точным моделям для исследования человеческих болезней также стимулирует инвестиции в эту технологию.

Способность моделей OoC с высокой точностью воспроизводить функции человеческих органов делает их бесценными для фармацевтических компаний, стремящихся сократить расходы и время, связанные с разработкой лекарственных препаратов.

Ключевые игроки и их доля рынка

На рынке OoC доминирует смесь крупных фармацевтических компаний и специализированных биотехнологических фирм. Некоторые из ключевых игроков и их вклад в рынок включают:

Компании в области технологий «орган на чипе»

  • Roche: Крупный игрок в сфере персонализированной медицины, Roche использует модели OoC для повышения точности процессов разработки лекарств. Сосредоточение компании на использовании технологии OoC для моделирования состояний болезни и оценки эффективности лекарств обеспечивает ей значительную долю рынка.
  • Merck: Известная своими мощными возможностями в области НИОКР, компания Merck использует технологию OoC для повышения предсказуемости реакции на лекарства, сокращая время и стоимость разработки. Доля рынка Merck поддерживается ее инвестициями в передовые биотехнологии.
  • Agilent Technologies: Agilent предоставляет основные инструменты и технологии для разработки и развертывания систем OoC. Их доля на рынке обусловлена ​​их вкладом в технологическую основу отрасли.
  • Genentech (часть Roche): Компания Genentech занимает прочные позиции на рынке, уделяя особое внимание снижению зависимости от животных моделей и повышению эффективности разработки лекарственных препаратов.
  • Новартис и Пфайзер: Обе компании вкладывают значительные средства в интеграцию технологии OoC в свои процессы разработки лекарственных препаратов, внося значительный вклад в развитие рынка.

Эти компании не только способствуют технологическому прогрессу OoC, но и влияют на тенденции рынка посредством стратегического партнерства, слияний и поглощений.

Географический анализ доминирования на рынке и развивающихся рынков

Рынок OoC географически сконцентрирован, при этом лидируют по доле рынка Северная Америка и Азиатско-Тихоокеанский регион:

  • Северная Америка: Доминирует на мировом рынке OoC, занимая самую большую долю благодаря развитой инфраструктуре здравоохранения, значительным инвестициям в НИОКР и присутствию ведущих компаний, таких как Roche, Merck и Genentech.

    На долю США приходится более 50% мирового рынка, при этом основное внимание уделяется инновациям и коммерциализации новых технологий.

  • Азиатско-Тихоокеанский регион: Этот регион становится значимым игроком на рынке OoC, чему способствуют возросшая государственная поддержка, рост биофармацевтической промышленности и увеличение инвестиций в биотехнологии.

    В частности, Китай добивается быстрых успехов, существенно увеличив число патентных заявок и исследовательскую деятельность.

  • Европа: Хотя Европа и меньше по сравнению с Северной Америкой и Азиатско-Тихоокеанским регионом, она по-прежнему занимает значительную долю рынка. Сосредоточение региона на нормативной поддержке сокращения испытаний на животных и продвижении альтернативных методов стимулирует принятие технологии OoC.

Развивающиеся рынки

В дополнение к этим доминирующим регионам, развивающиеся рынки в Латинской Америке и на Ближнем Востоке начинают осознавать потенциал технологии OoC. Ожидается, что эти регионы увидят более широкое внедрение, поскольку растет глобальная осведомленность о преимуществах моделей OoC.

Применение технологии «орган-на-чипе»

Технология «орган-на-чипе» (OoC) — это революционный инструмент, имеющий широкое применение в различных отраслях, в первую очередь в биомедицинских исследованиях, фармацевтике и персонализированной медицине.

Эти приложения используют способность систем OoC имитировать функции органов человека и физиологические реакции в контролируемой микроинженерной среде. Ниже приведены ключевые области, в которых технология OoC оказывает значительное влияние:

1. Разработка и тестирование лекарств.

  • Доклинические испытания: Системы OoC широко используются на ранних стадиях разработки лекарственных препаратов для оценки эффективности и безопасности новых кандидатов на лекарственные препараты.

    Модели, имитирующие реакции органов человека, позволяют более точно прогнозировать эффективность препарата в испытаниях на людях, что значительно снижает зависимость от испытаний на животных.

  • Токсикологические исследования: Традиционные методы оценки токсичности лекарственных препаратов часто предполагают использование животных моделей, что может быть дорогостоящим и сложным с этической точки зрения.

    Технология OoC предлагает альтернативу, предоставляя модели, релевантные для человека, которые могут обнаруживать токсические эффекты на ранней стадии, тем самым улучшая профиль безопасности новых препаратов до того, как они попадут на стадию клинических испытаний.

  • Фармакокинетика и фармакодинамика (ФК/ФД): Модели OoC позволяют исследователям изучать абсорбцию, распределение, метаболизм и выведение (ADME) лекарственных препаратов в среде, более приближенной к человеческой.

    Это особенно полезно для оптимизации дозировки лекарственных препаратов и понимания их действия с течением времени в организме человека.

2. Моделирование и исследование заболеваний

  • Исследования рака: Системы OoC используются для моделирования различных типов рака, включая рак печени, легких и молочной железы.

    Эти модели помогают исследователям изучать рост опухолей, метастазы и эффекты различных методов лечения в контролируемой среде, которая максимально точно имитирует человеческое тело.

  • Инфекционные заболевания: Технология OoC также используется для изучения инфекционных заболеваний путем воспроизведения среды, в которой патогены взаимодействуют с клетками человека. Это приложение имеет решающее значение для понимания механизмов заболеваний и тестирования потенциальных методов лечения таких состояний, как COVID-19.
  • Хронические болезни: Такие состояния, как диабет, сердечно-сосудистые заболевания и нейродегенеративные расстройства, также изучаются с использованием моделей OoC. Эти системы помогают понять прогрессирование этих заболеваний и оценить долгосрочные эффекты лечения.

3. Персонализированная медицина

  • Модели, ориентированные на конкретного пациента: Технология OoC позволяет создавать модели органов, специфичные для конкретного пациента, используя клетки, полученные от отдельных пациентов.
    Это приложение имеет решающее значение для персонализированной медицины, позволяя тестировать реакцию на лекарственные препараты с учетом генетического состава и профиля здоровья пациента.

    Такие модели могут помочь в принятии решений о лечении и сократить применение метода проб и ошибок, часто связанного со сложными заболеваниями.

  • Предиктивная диагностика: Моделируя реакцию разных людей на определенные препараты, системы OoC можно также использовать для разработки инструментов предиктивной диагностики.

    Эти инструменты позволяют определить, каким пациентам, скорее всего, будет полезен тот или иной метод лечения, что повышает общий показатель успешности терапевтических вмешательств.

4. Регенеративная медицина и тканевая инженерия

  • Регенерация тканей: Технология OoC используется для создания тканей, которые могут быть использованы в регенеративной медицине. Например, модели печени на чипе изучаются на предмет их потенциала для регенерации печеночной ткани у пациентов с заболеваниями печени.
  • Исследования стволовых клеток: Платформы OoC предоставляют среду для изучения дифференциации стволовых клеток и формирования сложных структур тканей. Это приложение имеет жизненно важное значение для разработки новых регенеративных методов лечения, которые могут заменить поврежденные или больные ткани у пациентов.

5. Экологические и химические испытания

  • Тестирование токсичности химических веществ: Помимо фармацевтики, технология OoC также применяется для проверки токсичности химикатов, используемых в сельском хозяйстве, косметике и промышленных процессах.

    Используя модели, релевантные для человека, компании могут лучше оценить безопасность этих химических веществ для воздействия на человека.

  • Исследования воздействия на окружающую среду: Системы OoC могут моделировать воздействие токсинов окружающей среды на органы человека, предоставляя ценные данные для регулирующих органов и компаний, стремящихся минимизировать экологический след своей продукции.

Заключение

Технология «орган-на-чипе» (OoC) стремительно развивается благодаря значительным инновациям в микрофлюидике, 3D-культивировании клеток, биопечати и других смежных областях.

Эти достижения позволяют более точно моделировать функции органов человека, что приводит к прорывам в разработке лекарственных препаратов, моделировании заболеваний и персонализированной медицине.

Растущий патентный ландшафт, участие ключевых игроков отрасли и расширение сфер применения в различных секторах подчеркивают преобразующий потенциал технологии OoC.

Поскольку эта область продолжает развиваться, она будет играть важнейшую роль в будущем биомедицинских исследований и здравоохранения, предлагая более точные, этичные и эффективные решения для сложных медицинских задач.и связь.

О ТТК

At ТТ Консультанты, мы являемся ведущим поставщиком индивидуальной интеллектуальной собственности (ИС), технологической разведки, бизнес-исследований и поддержки инноваций. Наш подход сочетает в себе инструменты искусственного интеллекта и модели большого языка (LLM) с человеческим опытом, предоставляя непревзойденные решения.

В нашу команду входят квалифицированные эксперты в области интеллектуальной собственности, технические консультанты, бывшие эксперты USPTO, европейские патентные поверенные и многие другие. Мы обслуживаем компании из списка Fortune 500, новаторов, юридические фирмы, университеты и финансовые учреждения.

Сервисы:

Выбирайте консультантов TT для получения индивидуальных высококачественных решений, которые по-новому определяют управление интеллектуальной собственностью.

Свяжитесь с нами

Поговорите с нашим экспертом

Свяжитесь с нами сейчас, чтобы запланировать консультацию и начать точно и дальновидно формировать свою стратегию признания патента недействительным. 

Отправить статью

Категории

Топовый объект
всплывающее окно

РАСКРЫТЬ СИЛУ

Вашей Идеи

Расширьте свои патентные знания
Эксклюзивная информация ждет вас в нашем информационном бюллетене

    Закажите обратный звонок!

    Благодарим вас за интерес к TT Consultants. Пожалуйста, заполните форму и мы свяжемся с вами в ближайшее время

      Закажите обратный звонок!

      Благодарим вас за интерес к TT Consultants. Пожалуйста, заполните форму и мы свяжемся с вами в ближайшее время