Radioaktivní látky bojují s rakovinou v mini-laboratoři

Radiopharmaka přicházejí na scénu, když chemoterapie, operace nebo ozařování selhaly proti nádoru. Mikrofysiologické systémy napodobují mikroprostředí těla a jsou snadno použitelnou platformou pro pěstování 3D modelů nádorů. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Tým projektu HZDR a Fraunhofer IWS zkoumá, jak pomocí takzvaných mikrofyziologických systémů snížit počet pokusů na zvířatech, které jsou v současnosti nezbytné před aplikací na člověka. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

První testy s multiorganovými čipy již ukázaly pozitivní výsledky. Vázání známých látek na tumorové sféroidy již fungovalo. Plánuje se dále rozšířit mikrofyziologický systém o model ledviny a jaterní organoid. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Vazba [68Ga]Ga-C225 (2 nM) v MPS modulech na A431 (1, 2) a MDA-MB435S (3, 4); (2) ukazuje nespecifickou vazbu na A431, (4) na MDA-MB435S (0,8 μM C225); dole: diagramy saturace na A431 monovrste v MPS čipech s [64Cu]Cu-C225 (5) a [68Ga]Ga-C225 (6) (tmavě modré, šedé, zelené symboly: celková, nespecifická, specifická vazba). © HZDR/Fraunhofer IWS / Vazba [68Ga]Ga-C225 (2 nM) v MPS modulech na A431 (A) a MDA-MB435S (C); (B) ukazuje nespecifickou vazbu na A431, (D) na MDA-MB435S (0,8 μM C225); dole: grafy saturace na A431 monovrste v MPS čipech s [64Cu]Cu-C225 (E) a [68Ga]Ga-C225 (F) (černé, šedé, červené symboly: celková, nespecifická, specifická vazba). © HZDR/Fraunhofer IWS

Radioaktivita může zachránit životy. Pokud chemoterapie, operace ani ozařování zvenčí nepomáhají proti nádoru, v moderní medicíně se používají takzvané radiopharmaka. Tyto radioaktivní léky nejenže odhalí rakovinné buňky, ale umožňují také cílené ozáření zevnitř, které bojuje proti tumoru. Než však takové látky mohou být u lidí použity, jsou v průběhu jejich vývoje stále nutné rozsáhlé pokusy na zvířatech. Společný projekt Fraunhoferova ústavu pro materiálové a radiační technologie IWS v Drážďanech a Helmholtzova centra Dresden-Rossendorf (HZDR) právě zkoumá alternativní metodu. Základem jsou umělé struktury orgánů a nádory ve formátu čipu.

V roce 2021 bylo v Německu podle informací Spolkového ministerstva výživy a zemědělství celkem použito 1,86 milionu obratlovců a hlodavců pro výzkumné účely. To je ve srovnání s předchozím rokem o dvě procenta méně, ale stále velmi mnoho. Nejčastěji se v německých laboratořích používají myši, ryby a potkani. »Mnoho výzkumných úkolů lze v současnosti řešit pouze pomocí takových pokusů na zvířatech«, zdůrazňuje Dr. Wiebke Sihver z oddělení radionuklidové teragnostiky HZDR. Proto je velmi důležité hledat alternativní možnosti. »Navíc často chybí v modelu zvířete důležité vazby na lidský organismus.«

Ve své práci se Wiebke Sihver a její kolegové z HZDR zabývají vývojem a použitím radioaktivně označených látek pro diagnostiku rakoviny a zejména také její léčbu. Tyto radioligandy jsou vybaveny radioaktivním nuklidem (radionuklidem) a vážou se na cílovou molekulu, v případě rakoviny na specifické cílové struktury tumoru. Díky tomu radiopharmakon působí přímo na nádor. Okolní zdravá tkáň je chráněna. Při vývoji radiopharmak je třeba je po in vitro charakterizaci testovat také na zvířecích modelech, jako jsou myši a potkani. Již před několika lety hledala Wiebke Sihver náhradu za četné pokusy na zvířatech v radiopharmaceutickém výzkumu. Při hledání alternativních systémů rychle narazila na Fraunhoferův IWS. Tam již několik let výzkumný tým pracuje na mikrofyziologických systémech, které pomocí kultivovaných lidských mini-orgánů napodobují funkce lidského organismu – díky použití lidských buněk jsou například blíže lidskému tumoru než pokusy na zvířatech. To byl výchozí bod pro nový nápad.

Vývoj s velkým potenciálem

Výzkumníci z Fraunhoferova IWS se již více než deset let zabývají mini-laboratořemi. S těmito mikrofyziologickými systémy ve formátu tabletové krabičky lze uměle zobrazit funkce orgánů nebo také procesy onemocnění pomocí buněčných kultur. Ventily a kanály simulují cévní systém, malá pumpa srdeční tep. Mikrofyziologické systémy jsou vyráběny z vrstvených plastových fólií. Do nich jsou laserem řezány krevní cévy a komory. V speciálních modulech si uživatelé později pěstují buněčné kultury, které mohou v mikro-systémech přežít až měsíc. V mini-laboratoři zatím krev cirkuluje ve formě výživového média, které zásobuje buňky kyslíkem a živinami. Před několika lety bylo možné v rámci tohoto systému zobrazit pouze dva orgány. Dnes už lze současně simulovat čtyři na těchto nových víceorganových čipech.

Když se tým HZDR obrátil na Fraunhoferův IWS, rychle si zde odborníci uvědomili potenciál pro novou aplikaci. »V vývoji radiopharmak dosud víceorganové čipy nepoužívaly, takže je zde velká potřeba«, vysvětluje vedoucí skupiny Florian Schmieder, který již mnoho let sleduje výzkum Lab-on-Chip ve Fraunhoferově IWS. Společně se obě instituce úspěšně přihlásily na podporu Ministerstva školství a výzkumu na projekt „Alternativní metody k pokusům na zvířatech“. Ten běží do roku 2024. Již dosáhly prvních slibných výsledků.

Redukce počtu pokusů na zvířatech

Cílem společného výzkumu je umístit 3D modely nádorů na čip, což by mělo usnadnit a zlevnit testování radiopharmak. První výzvou bylo vytvořit z dvourozměrní kultury buněk trojrozměrný shluk buněk – spheroid, který může napodobovat tumorové tkáně. »Tím můžeme do našeho systému začlenit charakteristiky mikro-nádoru«, vysvětluje vývojový inženýr Stephan Behrens z Fraunhoferova IWS. Perspektivně by měla být tato simulace na čipu stále detailnější, například použitím pacientem specifických buněk nebo k určení nově objevených charakteristických proteinů u různých typů nádorových buněk, které lze radiopharmakologicky detekovat.

První testy Wiebke Sihver a jejího týmu s víceorganovými čipy již přinesly pozitivní výsledky. Nejprve byly použity známé látky, jejichž vlastnosti je možné na čipu dobře sledovat. »Viděli jsme, že vazba na tumorový spheroid již funguje«, popisuje. Plánuje se, že na čipech bude také zobrazen model ledviny a jaterního orgánového modelu. Zejména ledviny jsou považovány za limitující dávkování a hrají v radiopharmaceutickém výzkumu důležitou roli. »To znamená v běžném jazyce: když radioligand pevně drží, může to vést ke škodám v ledvinách i v jaterních buňkách«, vysvětluje vědkyně. Testování takových látek pomocí buněčných kultur na čipu je proto velmi slibnou alternativou. Pokud budou experimenty v projektu nadále úspěšné, budou později možné i testy neznámých radioligandů v systémech. »To ušetří velké množství pokusů na zvířatech«, říká Sihver. I když její výzkum zatím úplně nevylučuje pokusy na zvířatech, vědci se snaží jejich počet snížit.

Florian Schmieder vidí díky této nové metodě v budoucnu mnoho výhod pro pacienty. »Můžeme na čip přenést pacientem specifické buňky a simulovat, jak se vyvíjí rakovina.« Individuální terapie by tak mohla být na míru. »Rakovina také vytváří tumorové antigenní struktury, které nelze v zvířecích modelech zobrazit.« To by mělo být možné i na čipech.

Úzká spolupráce obou výzkumných institucí představuje působivý příklad přidané hodnoty vědecké aliance DRESDEN-concept, která sdružuje 36 partnerů za účelem podpory výzkumného místa Drážďany a vytváření a využívání synergických efektů ve výzkumu, vzdělávání, infrastruktuře a správě.