Bioreaktor- és kriotechnológiák a jobb hatóanyagtesztekért humán sejtkultúrákkal

Jégmentes kriokonzerválás (vitrifikáció) tapadó sejtrendszerekben az „R2U-Tox-Assay“ többgömbös formátumban. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Jégmentes kriokonzerválás (vitrifikáció) tapadó sejtrendszerekben az „R2U-Tox-Assay“ többgömbös formátumban. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Különböző bioreaktor-rendszerek az indukált pluripotens őssejtek (iPSCs) mikrokarrieres kultiválására. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Különböző bioreaktor-rendszerek az indukált pluripotens őssejtek (iPSCs) mikrokarrieres kultiválására. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

In vitro farmakológiai és toxikológiai szűrés idegsejteken. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / In vitro farmakológiai és toxikológiai szűrés idegsejteken. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Számos új fejlesztésű orvosi hatóanyag kudarcot vall, mert sikeres laboratóriumi tesztek ellenére erős mellékhatások jelentkeznek a vizsgált személyeknél. Ez akkor fordulhat elő, ha például a használt sejtek állati szövetből származnak. Különösen előkészített sejtkultúrák emberi szövetből, úgynevezett hiPS-sejtek, megbízhatóbb teszteket tesznek lehetővé, és növelik a sikerességi arányt az engedélyezési folyamat során. A Fraunhofer kutatói innovatív megoldásokat fejlesztettek ki a sejtek hatékonyabb gyártására bioreaktorban és egyedi kriotechnikai módszereket dolgoztak ki. Ez megnyitja az utat a sejtkultúrák hatékony és gyakorlatias alkalmazása felé a toxicitás- és hatóanyag-tesztekben.

Amikor a gyógyszerkutatásban új hatóanyagok tesztelése során erős mellékhatások lépnek fel a vizsgált személyeknél, a kutatók dilemmával szembesülnek. Gyakran ilyenkor a ígéretes hatóanyag fejlesztését meg kell szakítani, és a tervezett gyógyszer nem kerül piacra. A probléma egyik oka, hogy a hatóanyagokat általában állati sejtekből készült in vitro sejtkultúra-modelleken vagy állatkísérletekben próbálják ki. Mindkét esetben a teszteredmények csak korlátozottan alkalmazhatók az emberre. Ennek megfelelően fennáll a kockázat, hogy a vizsgálati személyeknél hirtelen elviselhetetlen mellékhatások lépnek fel.

A gyógyászat kutatása nagy reményeket fűz az emberi indukált pluripotens őssejtekhez (hiPS-sejtekhez). Ezek a sejtek emberi szövetből származnak, így sokkal pontosabb információkat adnak a szerek hatásmechanizmusáról, mint a hagyományos tesztek. A sejtek először emberi bőrszövetből vagy vérmintából nyerhetők ki, majd speciális reprogramozási eljáráson mennek keresztül a laborban. Ezután már nem kötődnek egy szövethez, ezért a pluripotens őssejtek elnevezést kapják. Hatóanyag-tesztekhez a hiPS-sejteket ezután szinte minden emberi sejttípussá tudják differenciálni, azaz fejleszteni. Ez jelentősen csökkenti annak kockázatát, hogy klinikai tesztek során nem kívánt mellékhatások lépjenek fel.

Bioreaktor a nagy mennyiségű sejttenyésztéshez

A tesztekhez szükséges sejtek bioreaktorokban készülnek. A Fraunhofer IBMT Kriotechnológia és Őssejt-technológia osztályának Dr. Julia Neubauer vezetésével kutatócsoportja jelentős előrelépést ért el a hiPS-sejtek szaporításában és differenciálásában a bioreaktorban. »Most először lehetséges olyan mértékben nagyítani a folyamatot, hogy rövid idő alatt nagy mennyiségű működőképes sejtek keletkezzenek«, mondja Neubauer.

A kihívás a Fraunhofer tudósai számára a „R2U-Tox-Assay” közös projektben az volt, hogy kiderítsék, hogyan lehet a legjobban reprodukálni az emberi szervezet természetes környezeti feltételeit a bioreaktorban, úgy, hogy a sejtek gyorsan szaporodjanak anélkül, hogy funkcióképességük csökkenne. »Kifejlesztettünk egy rugalmas hidrogél hordozót, amit saját magunk gyártottunk, és amelyen a sejtek különösen jól érzik magukat, és könnyen szaporodnak. A kiválasztott paraméterekkel képesek vagyunk releváns mennyiségű, akár több milliárd sejtes mintát előállítani orvosi tesztekhez«, magyarázza Neubauer.

A sejtminták, amelyek ezáltal differenciálhatók szívizom-, bőr- vagy idegsejtekké, lehetővé teszik a gyógyszerek tesztelését és toxicitásvizsgálatát. Egy másik előny: mivel a hiPS-sejtek emberi sejtek, amelyek még tartalmazzák a donor genom-információit, lehetőség nyílik genetikai eredetű betegségekhez kapcsolódó tesztek elvégzésére is.

Gyorsfagyasztás kriotankban

Egy másik kihívás a gyógyszerkutatásban vagy az egyetemi klinikák számára a sejtkultúrák tárolása és elérhetősége. Itt hasznosították a Fraunhofer évtizedes szakértelmét a sejtek kriokonzerválásában.

A kriokonzerválás a Fraunhofer IBMT-nél világszerte egyedülálló. A bioreaktorban növesztett sejtmintákat folyékony nitrogén segítségével két másodperc alatt hűtik le kb. +23 Celsius-fokról -196 Celsius-fokra. A kutatók kifejlesztettek egy speciális sejtkultúraplattát is, amelyben a sejtek először tenyészthetők, majd lefagyaszthatók. A gyors lehűtési folyamat mellett speciális fagyasztóközegek akadályozzák meg a jégkristályok képződését a szövetekben, amelyek károsítanák az anyagot és tönkretennék. »Mindenki ismeri azt a kellemetlen hatást, amikor epret tesznek a mélyhűtőbe«, mosolyog Neubauer.

A helyes eljárás leírására Neubauer és csapata részletes krioproteokollt dolgozott ki, amely meghatározza a hűtési sebességet és a fagyasztóközegek hatásidejét az adott sejttípushoz. Ez a protokoll garantálja, hogy az érzékeny emberi sejtkultúrák a krioból való kivétel és az azt követő felolvasztás után teljes funkcióképességüket megőrzik. Ezek a szabványosított sejtkultúraplaták szinte korlátlan ideig tárolhatók és szállíthatók a nagy áteresztőképességű gyógyszervizsgálatokhoz. Klinikai és gyógyszergyárak tárolhatják a sejtkultúrákat, így mindig rendelkezésre állnak a megfelelő sejtek a toxicitás- és hatóanyag-tesztekhez.

Jobb hatóanyag-tesztek új gyógyszerekhez

A bioreaktor és kriobehárolók továbbfejlesztett koncepciói lehetővé teszik az hiPS-sejtek hatékony és gyakorlatias alkalmazását az orvosi kutatásban. A hagyományos in vitro tesztek állati sejtek felhasználásával, valamint az etikai problémákat felvető állatkísérletek helyett sokkal pontosabb tesztrendszerek állnak rendelkezésre. »Az „R2U-Tox-Assay” eredményei összességében lehetővé teszik az orvosi hatóanyagok hatékonyabb és biztonságosabb fejlesztését számos betegség, például szív- és szembetegségek vagy akár neurológiai problémák, például demencia kezelésére«, ígéri Neubauer.

A most befejezett közös projektben a Fraunhofer IBMT mellett részt vett a Janssen Pharmaceutica N.V. vállalat és a Cataloniai Bioengineering Intézet is. A projekt az EU EIT Health nagy kezdeményezése keretében valósult meg.