Nová šance pro léčbu rakoviny: Miniaturní laboratoř umožňuje pohled do vzniku metastáz

Společně zkoumají výzkumníci z Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IWS a Univerzity v Regensburgu metastázování nádorových buněk v mikrofyziologických systémech. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / Výzkumníci z Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IWS a Univerzity v Regensburgu společně zkoumají růst nádorových buněk v mikrofyziologických systémech. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Již několik let vyvíjí Fraunhofer IWS mikrofyziologické systémy o velikosti krabičky od léků. Nyní je možné kultivovat až deset tkáňových řezů na jednom čipu. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Aby zjistili, jak se rakovinné buňky vyvíjejí a šíří v těle, chtějí výzkumní partneři v budoucnu ještě účinněji napodobovat podmínky prostředí v mikrosystémech. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / In order to find out how cancer cells develop and spread in the body, the research partners want to simulate the environmental conditions in the microsystems even more effectively in the future. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Kromě rakoviny lze v mikrofiziologických systémech zkoumat i jiné nemoci, například fibrózu, na tkáňových řezech. Na tomto projektu společně pracují vědci z Fraunhofer IWS a Fraunhofer ITEM v rámci projektu FIBROPATHS. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Každoročně onemocní v Německu rakovinou přibližně půl milionu lidí. Navzdory existenci účinných terapeutických možností u mnoha typů rakoviny zůstává řada otázek ohledně vývoje nemoci nezodpovězena. Proč vzniká nádor? Jaké faktory podporují růst rakovinných buněk? Proč se metastázy časem rozšiřují na další orgány? Dosud používané zvířecí modely pouze omezeně odrážejí skutečné procesy v lidském těle. Fraunhoferův ústav pro materiálové a radiační technologie IWS v Drážďanech ve spolupráci s Fraunhoferovým ústavem pro toxikologii a experimentální medicínu ITEM v Hannoveru a s Univerzitou v Regensburgu vyvinul speciální mikrosystémy. Ty nyní zkoumají vzorky tkání nádorů za podmínek blízkých realitě.

Mikrofyziologické systémy ve velikosti tabletkové krabičky úspěšně vyvíjí Fraunhofer IWS již několik let. Umožňují uměle simulovat funkce orgánů nebo i procesy nemoci pomocí buněčných kultur, zkoumat onemocnění mimo organismus, tedy ex vivo, a testovat léky. »Pro tento účel vrstvíme několik vrstev plastové fólie na sebe«, vysvětluje Stephan Behrens, vývojový inženýr v Fraunhofer IWS. Nejprve jsou použity lasery k jejich strukturování. Vznikají kanály a komory, čerpadla a ventily. Tím jsou modelovány určité procesy v lidském těle. V mikrofyziologických systémech cirkuluje krevní podobná tekutina, která zásobuje buňky kyslíkem a živinami. Novou výzvou v interdisciplinárním projektu bylo zkoumání metastázování nádorů v těchto systémech.

S tímto požadavkem oslovil Prof. Christoph Klein, vedoucí katedry experimentální medicíny a terapeutických metod na Univerzitě v Regensburgu a vedoucí oddělení personalizované léčby nádorů v Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IWS. Společně s Univerzitou v Erlangenu-Nürnbergu schválila Německá výzkumná společnost v roce 2020 Regensburským zvláštní výzkumný program. Jeho cílem je odhalit, jak přesně metastázy osídlují orgány.

Nádor a imunitní systém spolu komunikují na čipu

„Pro zkoumání toho bylo pro nás důležité integrovat do mikrofyziologického systému několik vzorků nádorové tkáně“, říká Florian Schmieder, vedoucí skupiny v Fraunhofer IWS. Poprvé na světě se to v tomto projektu podařilo. Nyní lze na jednom čipu kultivovat až deset vzorků tkáně současně. Tým v Fraunhofer IWS také vytvořil otvory, ze kterých lze kdykoli odebrat vzorky k vyšetření. »Navíc je možné kontinuálně měřit důležité parametry, jako je obsah CO2, pH nebo koncentrace kyslíku«, pokračuje Schmieder. »Senzory používané k tomu měří přímo v mikrofyziologickém systému a lze je znovu použít pro další výzkum.«

Svými znalostmi o vzorcích tkání přispěli odborníci z Fraunhofer ITEM. Použili nejjemnější řezy z plicní tkáně, vysvětluje Prof. Armin Braun, vedoucí oddělení klinické farmakologie a toxikologie v Fraunhofer ITEM. »Při operaci pacienta s plicním nádorem se odebere nejen nádor, ale i zdravá tkáň.« Vibratom vybavený oscilující žiletkou vytváří z těchto vzorků tenké řezy o tloušťce 350 mikrometrů a průměru přibližně jednoho centimetru. Ty jsou stále dobře zásobovány živinami. Položené na čip, zůstávají vzorky tkání v mikrofyziologickém systému po delší dobu životaschopné a funkční. »Tím můžeme sledovat interakci lidského imunitního systému s nádorem«, dodává Braun. Všechny důležité imunitní buňky jsou již ve vzorku přítomny. »Jsme tak velmi blízko skutečnému systému, mnohem blíže, než by bylo možné s modely na zvířatech.«

Systémy také k výzkumu jiných onemocnění

Jak tedy přesně dochází ke vzniku rakoviny a jak se šíří v těle? Důležitým bodem je: Metabolismus v nádoru se liší od toho v normální tkáni. »Pro lékaře je důležité zjistit, za jakých podmínek v orgánu metastázy přilákají«, vysvětluje Florian Schmieder. Klíčové jsou vysoké koncentrace kyslíku a pH. Tyto okolní podmínky chtějí vědci v systému Fraunhofer IWS v budoucnu ještě účinněji nastavovat. »Dosud můžeme například měnit obsah kyslíku v celém systému«, vysvětluje dále. Výzvou je nyní umožnit na čipu různé koncentrace kyslíku, aby bylo možné sledovat reakci nádorových buněk a metastáz na ně.

Ideální by bylo, kdyby bylo možné kombinovat více typů tkání pacienta. »Takové vzorky jsou ve skutečnosti však velmi vzácné«, říká Schmieder. Je však možné spojit do systému krevní vzorky a tkáně téhož pacienta. V kombinaci s různými senzory tak vzniká přidaná hodnota, kterou nelze dosáhnout jinými metodami. Tato technologie tak může sloužit jako užitečná alternativa k dosavadním pokusům na zvířatech. Kompletní nahrazení zvířecích modelů však zatím věda bohužel není schopna.

Současně tým o 15 členech v Fraunhofer IWS pracuje na projektech, které testují použití vzorků tkání pro jiná onemocnění. Příkladem je fibróza. Při ní dochází ke změně reakce imunitního systému s tkání, která se následně patologicky ztuhne a částečně ztratí svou funkci. Tyto procesy omezují funkci tkání a orgánů. »V rámci interního projektu FIBROPATHS v Fraunhoferu pracujeme na této otázce«, říká Schmieder. Je třeba zjistit, jaké specifické systémy jednotlivé tkáně v minilaboratoři potřebují, aby je bylo možné déle kultivovat.

Nové terapie pro pacienty s rakovinou možné

Dosavadní výsledky výzkumu růstu nádorů a tvorby metastáz pomocí mikrofyziologických systémů jsou pro Prof. Christopha Kleina povzbudivé. »Pokud chceme zkoumat nemoci, je to nová velmi zajímavá možnost, kterou nám nabízí«, říká lékař. »Důkladné pochopení metastáz je klíčem k novým terapeutickým metodám, které zabrání pozdějšímu vzniku metastáz v těle pacientů s rakovinou.«

Florian Schmieder vidí v této technologii velký potenciál do budoucna: »Naše systémy budou stále modulárnější.« Různé komponenty by se mohly v budoucnu nově kombinovat, aby bylo možné řešit nejrůznější vědecké otázky.