Bioreaktorové a kryotechnologije pro lepší testy účinných látek s lidskými buněčnými kulturami

Ice-free kryokonservace (vitrifikace) adherentních buněčných systémů v multiwell formátu „R2U-Tox-Assay“. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Různé bioreaktorové systémy pro kultivaci indukovaných pluripotentních kmenových buněk (iPSCs) na mikronosnících. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Various bioreactor systems for cultivating induced pluripotent stem cells (iPSCs) on microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

In vitro farmakologické a toxikologické screening na nervových buňkách. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / In vitro farmakologické a toxikologické screening zahrnující nervové buňky. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Viele novinky v oblasti léků na medicínu selhávají, protože i přes úspěšné laboratorní testy s buněčnými kulturami se u pokusných osob objevují silné vedlejší účinky. To se může stát například tehdy, když použité buňky pocházejí z živočišného tkáně. Speciálně připravené buněčné kultury z lidské tkáně, takzvané hiPS-buňky, umožňují spolehlivější testy a tím zvyšují úspěšnost v procesu schvalování. Výzkumníci z Fraunhofer vyvinuli inovativní řešení pro optimalizovanou výrobu buněk v bioreaktoru a jedinečné kryotechniky. To otevírá cestu k efektivnímu a praktickému využití buněčných kultur v testech toxicity a účinnosti léků.

Pokud při farmaceutických studiích na testování nových účinných látek dojde u pokusných osob k silným vedlejším účinkům, stojí vědce před dilematem. Často je nutné vývoj slibné účinné látky přerušit a plánovaný lék se nedostane na trh. Jednou z příčin tohoto problému je, že účinné látky jsou obvykle testovány na in vitro modelech buněčných kultur založených na živočišných buňkách nebo na zvířecích pokusech. V obou případech lze výsledky testů jen omezeně přenést na člověka. V důsledku toho existuje riziko, že u pokusných osob se náhle objeví nesnesitelné vedlejší účinky.

Vědecký výzkum v medicíně vkládá velké naděje do lidských indukovaných pluripotentních kmenových buněk (hiPS-buněk). Tyto buňky pocházejí z lidské tkáně a umožňují mnohem přesnější závěry o mechanismu účinku látek než běžné testy. Nejprve se buňky odeberou z lidské kůže nebo z krevního vzorku a podrobí se speciálnímu reprogramovacímu procesu v laboratoři. Poté již nejsou vázány na určitou tkáň, odtud název pluripotentní kmenové buňky. Pro testy účinných látek lze hiPS-buňky následně znovu vyvinout téměř do všech typů buněk lidského těla, tedy diferencovat. Riziko, že při následných klinických testech na lidech dojde k nežádoucím vedlejším účinkům, se výrazně snižuje.

Bioreaktor pro vysoce škálovanou výrobu buněk

Buněčné modely potřebné pro testy jsou vyráběny v bioreaktorech. Výzkumný tým kolem Dr. Julií Neubauer, vedoucí oddělení kryo- a kmenových buněk na Fraunhoferově institutu pro biomedicínskou techniku IBMT, nyní zaznamenal zásadní pokrok v množení a diferenciaci hiPS-buněk v bioreaktoru. „Nyní je poprvé možné škálovat proces tak, aby během krátké doby vznikly velké množství funkčně schopných buněk,“ říká Neubauer.

Výzvou pro vědce z Fraunhoferova týmu v rámci společného projektu „R2U-Tox-Assay“ bylo zjistit, jak nejlépe reprodukovat přirozené podmínky prostředí v lidském těle v bioreaktoru tak, aby se buňky rychle množily, aniž by ztratily svou funkčnost. „Speciálně pro bioreaktor jsme vyvinuli a sami vyrobili elastické hydrogelové nosiče. Na nich se buňky cítí obzvlášť dobře a mohou se dobře množit. S vybranými parametry jsme schopni vyrábět relevantní množství buněk pro lékařské testy, až několik miliard,“ vysvětluje Neubauer.

S takto získanými buněčnými modely, které lze diferencovat do tkání jako srdeční sval, kůže nebo nervové buňky, lze vybavit testy pro zkoušení a toxikologické ověřování léků. Další výhodou je, že vzhledem k tomu, že hiPS-buňky jsou lidské buňky, které stále obsahují genomové informace dárce, je možné připravit i testy nových účinných látek pro geneticky podmíněné nemoci.

Rychlé zmrazení v kryotanku

Dalším problémem pro farmaceutický výzkum nebo univerzitní kliniky je skladování a dostupnost buněčných kultur. Zde vědci z Fraunhofer využili své desetileté zkušenosti s kryokonzervací buněk.

Kryokonzervace na IBMT je celosvětově unikátní. Buněčné modely vyvinuté v bioreaktoru jsou pomocí kapalného dusíku během dvou sekund ochlazeny z přibližně +23 na -196 stupňů Celsia. Výzkumníci z Fraunhofer také vyvinuli speciální kultivační desku, na které se buňky nejdříve pěstují a poté mohou být zmrazeny. Ve spojení s rychlým ochlazováním zabraňují speciální zmrazovací média tvorbě ledových krystalů v tkáni, které by materiál poškodily a proměnily v kaši. „Ten nepříjemný efekt zná každý, kdo někdy dal jahody do mrazáku,“ usmívá se Neubauer.

Pro správný postup vypracovala expertka Neubauer s týmem podrobný kryoprotocol. Stanovuje parametry jako rychlost chlazení a doby působení zmrazovacích médií u jednotlivých typů buněk. Tento protokol zaručuje, že citlivé lidské buněčné kultury jsou po vyjmutí z kryobáze a následném rozmrazení plně funkční. V těchto standardizovaných deskách jsou buněčné kultury téměř neomezeně skladovatelné a přepravitelné pro vysokovýkonné screeningy v farmaceutickém výzkumu. Kliniky a farmaceutické laboratoře mohou skladovat buněčné kultury a mít tak kdykoli k dispozici správné buňky pro toxikologické a účinné testy.

Vylepšené testy účinnosti pro nové léky

S pokročilými koncepty bioreaktorů a kryobáze se otevírá cesta k efektivnímu a praktickému využití hiPS-buněk ve vědeckém výzkumu. Klasické in vitro testy s živočišnými buňkami a eticky problematické zvířecí pokusy budou nahrazeny mnohem přesnějšími testovacími systémy. „Celkově umožňují pokroky v projektu „R2U-Tox-Assay“ efektivnější a bezpečnější vývoj léků na léčbu řady onemocnění, například srdečních a očních chorob nebo dokonce neurologických poruch, jako je demence,“ slibuje Neubauer.

Na právě úspěšně dokončeném společném projektu se kromě Fraunhoferova IBMT podílela také společnost Janssen Pharmaceutica N.V. a Institut pro bioinženýrství Katalánska. Projekt byl financován v rámci velké iniciativy EU EIT Health.