Új lehetőség a rákkezelésben: Miniatűr laboratórium betekintést nyújt a áttétek kialakulásába

Együtt vizsgálják a Fraunhofer ITEM, a Fraunhofer IWS és a Regensburgi Egyetem kutatói a daganatos sejtek áttétképződését mikrophysiológiai rendszerekben. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / Kutatók a Fraunhofer ITEM-től, a Fraunhofer IWS-től és a Regensburgi Egyetemtől közösen vizsgálják a daganatos sejtek növekedését mikrophysiológiai rendszerekben. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Már több éve fejleszt a Fraunhofer IWS mikrophysiológiai rendszereket tablettás doboz méretben. Most már lehetőség van akár tíz szövetmetszet egy chipen való kultiválására. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Annak érdekében, hogy megtudják, hogyan alakulnak ki és terjednek a rákos sejtek a szervezetben, a kutatópartnerek a jövőben még hatékonyabban kívánják modellezni a környezeti feltételeket a mikroszisztémákban. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / Azért, hogy megtudják, hogyan fejlődnek és terjednek a rákos sejtek a szervezetben, a kutatópartnerek a jövőben még hatékonyabban kívánják szimulálni a környezeti feltételeket a mikroszisztémákban. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

A rák mellett más betegségeket, például fibrózist, is vizsgálhatunk szövetmetszeteken mikrophysiológiai rendszerekben. A Fraunhofer IWS és a Fraunhofer ITEM tudósai közösen dolgoznak ezen a FIBROPATHS projekt keretében. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Évente körülbelül félmillió ember betegszik meg rákban Németországban. A sok hatékony terápiás lehetőség ellenére számos kérdés a betegség kialakulásával kapcsolatban még mindig megválaszolatlan marad. Miért alakul ki egy tumor? Milyen tényezők serkentik a rákos sejtek növekedését? Miért terjednek a metasztázisok idővel más szervekre? A korábban főként használt állati modellek csak korlátozottan tükrözik az emberi szervezetben zajló folyamatokat. A drezdai Fraunhofer Anyag- és Sugártechnikai Intézet (IWS), együttműködve a hannoveri Fraunhofer Toxikológiai és Kísérleti Orvostudományi Intézettel (ITEM), valamint a Regensburgi Egyetemmel speciális mikrorendszereket fejlesztett ki. Ezekben most tumor szövetmetszeteket vizsgálnak valósághű körülmények között.

A Fraunhofer IWS már több éve sikeresen fejleszt mikrofiziológiai rendszereket, amelyek a tablettás doboz méretével megegyeznek. Ezek segítségével mesterségesen ábrázolhatók szervefunkciók vagy betegségek, illetve kutathatók a kórfolyamatok ex vivo, azaz szervezeten kívül, valamint gyógyszereket tesztelhetnek. „Ehhez több réteg műanyag fóliát rétegezünk egymásra,” magyarázza Stephan Behrens, a Fraunhofer IWS fejlesztési mérnöke. Először lézerekkel strukturálják ezeket, kialakítva csatornákat, kamrákat, szivattyúkat és szelepeket. Ezáltal modellezhetőek bizonyos folyamatok az emberi szervezetben. A mikrofiziológiai rendszerekben vérhez hasonló folyadék kering, amely oxigént és tápanyagokat juttat a sejtekhez. Egy új kihívás egy interdiszciplináris projektben az volt, hogy a tumorok metasztázisát vizsgálják ezekben a mikrorendszerekben.

Erre a kérésre Prof. Christoph Klein, a Regensburgi Egyetem Kísérleti Orvostudomány és Terápiás Módszerek tanszékének vezetője és a Fraunhofer ITEM személyre szabott tumorterápiás részlegének vezetője, fordult a Fraunhofer IWS-hez. Együtt az Erlangen-Nürnbergi Egyetemmel a Német Kutatási Közösség 2020-ban külön kutatási területet hagyott jóvá a regensburgiak számára. Ennek célja, hogy feltárja, pontosan hogyan telepednek meg a metasztázisok a szervekben.

Tumor és immunrendszer interakciója egy chipen

„Annak érdekében, hogy ezt vizsgálhassuk, fontos volt számunkra, hogy több tumor szövetmetszetet integráljunk a mikrofiziológiai rendszerünkbe,” mondja Florian Schmieder, a Fraunhofer IWS csoportvezetője. Ez elsőként a világon sikerült ebben a projektben. Mostantól akár tíz szövetmetszetet is párhuzamosan lehet tenyészteni egy chipen. A csapat további nyílásokat is kialakított, ahol időről időre mintákat vehetnek vizsgálatra. „Ezenkívül folyamatosan mérhetők olyan fontos paraméterek, mint a CO2-tartalom, a pH-érték vagy az oxigénkoncentráció,” folytatja Schmieder. „Az ehhez használt szenzorok közvetlenül a mikrofiziológiai rendszerben mérnek, és újra felhasználhatók további vizsgálatokhoz.”

A szövetmetszetekkel kapcsolatos tudásukat a Fraunhofer ITEM szakértői hozták be. Ők finom vágásokat alkalmaztak tüdőszövetből, mondja Prof. Armin Braun, a Fraunhofer ITEM Klinikai Farmakológia és Toxikológia részlegvezetője. „Egy beteg tüdőtumoros műtéte során nemcsak a tumort, hanem az egészséges szöveteket is eltávolítják.” Egy oszcilláló borotvafejjel felszerelt vibrátort alkalmazva ezeket a mintákat vékony, mindössze 350 mikrométer vastag és körülbelül egy centiméter átmérőjű lapokra vágják. Ezek még mindig jó tápanyagellátottságot kapnak. Ezek a szövetmetszetek a chipen való elhelyezés után hosszabb ideig életképesek és működőképesek maradnak a mikrofiziológiai rendszerben. „Így megfigyelhetjük az emberi immunrendszer és a tumor közötti kölcsönhatást,” teszi hozzá Braun. Minden releváns immunsejt már a metszetben megtalálható. „Ez közelebb visz a valós rendszerhez, mint amit állati modelleken keresztül el lehetne érni.”

Rendszerek más betegségek kutatására is alkalmazhatók

De pontosan hogyan fejlődik a rák, és hogyan terjed a szervezetben? Egy fontos szempont: a tumor anyagcseréje eltér a normál szövetekétől. „Az orvosok számára fontos, hogy vizsgálhassák, milyen körülmények vonzzák a metasztázisokat egy szervben,” magyarázza Schmieder. A magas oxigénkoncentráció és a pH-érték kulcsfontosságú ebben. A kutatók a Fraunhofer IWS-nél ezeket a környezeti feltételeket a jövőben még hatékonyabban kívánják beállítani a mikrorendszerekben. „Eddig például a rendszer teljes oxigénszintjét tudtuk módosítani,” magyarázza. Most az a kihívás, hogy különböző oxigénkoncentrációkat tudjanak elhelyezni egy chipen, hogy megfigyelhessék a tumorsejtek és a metasztázisok reakcióját.

Ideális lenne, ha többféle szövetfajta kombinálható lenne egy betegből. „Az ilyen minták azonban a valóságban rendkívül ritkák,” mondja Schmieder. Azonban lehetőség van arra, hogy a vérmintákat és a szöveteket ugyanabból a betegből összekapcsolják a rendszerben. A különböző szenzorokkal együtt ez egy olyan értéknövelő lehetőséget teremt, ami más módszerekkel eddig nem volt elérhető. Ez a technológia így a korábbi állatkísérletek helyettesítésének is hasznos alternatívája lehet. Sajnos azonban a kutatás egyelőre nem mondhat le teljesen az állati modellekről.

A 15 fős csapat a Fraunhofer IWS-ben párhuzamosan olyan projekteken is dolgozik, amelyek más betegségek esetében tesztelik a szövetmetszetek alkalmazhatóságát. Egy példa erre a fibrózis. Ebben a folyamatban az immunrendszer megváltozott reakciója miatt a szövet kórosan megkeményedik, és részben elveszíti funkcióját. Ezek a folyamatok csökkentik a szövetek és szervek működését. „A Fraunhofer FIBROPATHS nevű belső projektben e kérdéskört vizsgáljuk,” mondja Schmieder. Meg kell határozni, hogy mely speciális rendszerekre van szükség az egyes szövetekben ahhoz, hogy hosszabb ideig tudják őket kultiválni.

Új terápiák a rákos betegek számára

A tumor növekedésének és a metasztázis kialakulásának kutatásában elért eddigi eredmények pozitívan hatnak Prof. Christoph Kleinre. „Amikor betegségeket szeretnénk vizsgálni, ez egy új, nagyon érdekes lehetőség számunkra,” mondja a orvos. „A metasztázisok részletes megértése kulcsfontosságú az új terápiás módszerekhez, amelyek megakadályozzák a későbbi metasztázisok képződését a rákos betegek szervezetében.”

Schmieder szerint a technológia nagy potenciállal bír a jövő szempontjából: „Folyamatosan modulárisabbá tesszük rendszerünket.” Különböző egységek a jövőben újra kombinálhatók lesznek, hogy a legkülönfélébb tudományos kérdéseket megválaszolják.