Náhrada za pokusy na zvířatech – nyní úplně bez utrpení zvířat

Vědci na biotiskárně

Myš není člověk. Tento fakt činí biomedicínský výzkum tak obtížným při přenášení poznatků získaných z pokusů na zvířatech na nás. Vědci proto pracují na náhradních metodách pro pokusy na zvířatech, které by v ideálním případě nevyžadovaly žádné materiály živočišného původu. To potěší i myš.

3D tisk na biologické modely tkání

Vědci z Technické univerzity v Berlíně poprvé pomocí 3D-bioduplikace vytvořili model jater z lidských buněk, aniž by museli používat materiály živočišného původu. Tento úspěch je důležitým krokem směrem k biomedicínskému výzkumu a výuce, která je plně založena na metodách bez zvířecího utrpení. Dosud bylo totiž běžné, že náhradní metody pro testování na zvířatech například využívaly živné roztoky získané z plodů telat. A mimo jiné pro 3D tisk modelů orgánů bylo dříve potřeba strukturující látky pocházející z nádorů, které se pěstují u myší. Kromě těchto etických aspektů zlepšuje biomedicínský výzkum zcela bez živočišných složek také přenositelnost jeho výsledků na člověka – což dává naději na rychlejší vývoj léků.

„V Německu je vlastně zakázáno zabíjet těhotné krávy,“ vysvětluje prof. Dr. Jens Kurreck, vedoucí katedry aplikované biochemie na TU Berlín. Pokud těhotenství před porážkou přesto není rozpoznáno, je běžné odebrat plodu krev. Ta obsahuje mnoho látek, které podporují růst a jsou proto ideální pro rozmnožování buněk ve výzkumu. „Fetální kravský sérový extrakt“ je standardním produktem v každé buňkové kultuře.

Předpokládá se více než dva miliony telat ročně

„O počtu kravských telat potřebných k tomuto účelu existují pouze hrubé odhady. Vydání z roku 2021 odhaduje celosvětově dva miliony, a od té doby spotřeba fetálního kravského séra spíše vzrostla,“ říká Kurreck. Velká část pochází z porážek mimo EU a je proto obtížně sledovatelná německými či evropskými institucemi. „Protože sérové extrakty z kravského séra jsou tak vhodné pro kultivaci buněk, používají je samozřejmě i vědci, kteří chtějí pomocí buněčných kultur nahradit testy na zvířatech. A to až donedávna i my,“ dodává.

Myši s nádory o pětinu své tělesné hmotnosti

Jelikož skupina Jens Kurreck používá při výrobě modelů orgánů určených jako náhrada testů na zvířatech velmi slibné metody 3D-bioduplikace, museli vědci dosud využívat i druhý živočišný produkt získaný od speciálně chovaných zvířat. „Pomocí 3D tisku můžeme z lidských buněk vytvářet malé, trojrozměrné modely orgánů, které mohou dokonce obsahovat umělé krevní cévy. K tomu však potřebujeme látky jako lamininy a kolageny, které těmto strukturám dávají pevnější strukturu než běžné buněčné kultury,“ vysvětluje výzkumník. Tyto látky se nacházejí ve vysokých koncentracích v speciální formě takzvané extracelulární matrix, která obklopuje buňky v těle lidí i zvířat a zprostředkovává kontakt mezi nimi.

Tato látka je získávána z nádorů, které se pěstují u myší, a má zkratku BME (pro „Basement Membrane Extract“). „Na konci váží takový nádor asi čtyři gramy, zatímco tělesná hmotnost myši je možná dvacet gramů. Už z tohoto poměru je patrné, že tento proces představuje značné zatížení zvířete,“ říká Kurreck. Protože strukturující látky z BME se běžně používají v dalších buňkových laboratořích pro různé aplikace, počet zvířat použitých k výrobě určitě dosahuje tisíců, dodává.

Živočišné složky činí výzkum méně spolehlivým

Lidské buňky, které jsou krmeny pomocí séra z krav a podporovány k množení, z nichž se pomocí strukturujících látek z myších nádorů tisknou lidské modely orgánů: „Když si představíme tyto výrobní kroky, už z toho jasně vyplývá, že zde existuje potenciál pro chyby, pokud bychom chtěli z experimentů s těmito modely odvodit skutečné procesy v lidském těle,“ vysvětluje Kurreck. A přitom jsou modely orgánů z lidských buněk v zásadě podstatně přesnější v předpovědní schopnosti než odpovídající testy na zvířatech, pokud jde o stejnou otázku. I zde se například zavádějí lidské nádorové buňky do zvířat. Tyto lidské buňky však stále zůstávají v prostředí zvířecí tkáně a komunikují s těmito živočišnými buňkami, což značně ztěžuje přenositelnost poznatků na člověka.

Navíc, jak dodává Kurreck, se přesné složení živočišných produktů, například fetálního kravského séra, stále liší. Nelze se proto spolehnout na to, že jedna šarže například podporuje růst buněk stejně jako jiná. „90 procent všech kandidátů na léky, které jsou v laboratořích a testech na zvířatech úspěšné, a dokonce 97 procent kandidátů na protinádorové léky nakonec selže při testech na člověku. Pokud chceme být úspěšnější, musíme si stanovit cíl, že jednou úplně přestaneme používat zvířata a také živočišné přísady a pomocné látky,“ říká.

Chemicky přesně definované živné médium a strukturální látky z lidských zdrojů

S prvním modelem jaterního tkáně zcela bez materiálů živočišného původu se doktorand Ahmed Ali a další členové skupiny Jens Kurrecku podařilo udělat velký krok tímto směrem. Nahradili fetální kravské sérum chemicky přesně definovaným živným médiem složeným z růstových faktorů, inzulínu, selenu, cukrů a solí. „Museli jsme toto živné médium nejen přizpůsobit specifickému typu lidských jaterních buněk, které jsme použili, ale také je pomalu adaptovat na novou prostředí,“ vypráví Kurreck. Výchozí buňky pro začátek experimentu však pocházely od firmy, která sérové extrakty z krav používala k jejich množení.

Jako náhradu za strukturující směs BME z myších nádorů použili vědci lidský kolagen získaný z placent, který by jinak v rakouských nemocnicích po porodech skončil jako odpad. „To, co se na první pohled zdálo jednoduché, byl v praxi složitý adaptační proces, který vyžadoval hodně zkoušení a také důkladný rešeršní výzkum,“ říká Jens Kurreck. Například museli speciálně potáhnout plastové misky, ve kterých buňky kultivovali, lidským kolagenem z placent, aby dosáhli podobné dobré přilnavosti jako u běžných metod.

Testovací výsledky potvrzují rovnocennost bezživočišné metody

Pro otestování svého nového bezzvířecího jaterního modelu jej vědci vystavili kontaktu s jedovatou látkou okadaic acid, kterou produkují řasy, hromadí se v mušlích a může způsobit vážné otravy ryb. Ukázalo se, že dvourozměrné struktury buněk vyrobené pomocí tisku mají stejnou citlivost vůči této látce, ať už byly vypěstovány a vytištěny s použitím starých nebo nových, živočišných složek. Třírozměrní model jaterního tkáně rovněž vykazoval očekávanou citlivost.

Průnik do praxe díky interdisciplinárnímu přístupu

Optimismus vědců je velký, neboť věří, že jejich nová metoda bez utrpení zvířat nejen rychle najde cestu do praxe, ale také široké uplatnění. Například s Albertem Braeuningem z Německého institutu pro hodnocení rizik (BfR), který je nejen potenciálním uživatelem této metody, se na aktuální publikaci přímo podílel. Také katedra biotechnologie potravin a technologií TU Berlín pod vedením prof. Dr. Cornelie Rauh přispěla měřením mechanických parametrů nové 3D-bioduplikované inkoustové směsi. Vědci z této skupiny spolupracují s Jens Kurreckovou skupinou na kultivovaném mase pro lidskou výživu, které rovněž vyžaduje kultivační metody bez fetálního kravského séra. Budoucí optimalizace této metody bez utrpení zvířat je plánována ve spolupráci s katedrou bioprocesní techniky TU Berlín pod vedením prof. Dr. Petra Neubauera. Například v budoucnu by mohly být lidské kolageny vyráběny ve větším množství pomocí kvasinkových buněk – nebo v ještě vzdálenější budoucnosti přímo z lidských buněčných kultur.