Bioreaktoren- und Kryotechnologien für bessere Wirkstofftests mit humanen Zellkulturen

Kriokonserwacja bez lodu (witrifikacja) układów komórkowych przyczepnych w formacie wielodrutowym „R2U-Tox-Assay”. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Różne systemy bioreaktorów do hodowli komórek iPS na mikronośnikach. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Various bioreactor systems for cultivating induced pluripotent stem cells (iPSCs) on microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

In vitro screening farmakologiczne i toksykologiczne na komórkach nerwowych. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / In vitro screening farmakologiczne i toksykologiczne z udziałem komórek nerwowych. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Wiele nowo opracowanych substancji leczniczych nie odnosi sukcesu, ponieważ mimo udanych testów laboratoryjnych z kulturami komórkowymi, u ochotników występują silne skutki uboczne. Może się tak zdarzyć, na przykład gdy użyte komórki pochodzą z tkanki zwierzęcej. Specjalnie przygotowane kultury komórkowe z ludzkiej tkanki, tak zwane hiPS-komórki, umożliwiają bardziej wiarygodne testy i tym samym zwiększają wskaźnik sukcesu w procesie rejestracji. Naukowcy z Fraunhofer opracowali innowacyjne rozwiązania dla zoptymalizowanej produkcji komórek w bioreaktorze oraz unikalne techniki kriogeniczne. To otwiera drogę do efektywnego i praktycznego zastosowania kultur komórkowych w testach toksyczności i substancji leczniczych.

Gdy w badaniach farmaceutycznych podczas testowania nowych substancji występują silne skutki uboczne u ochotników, naukowcy stają przed dylematem. Często konieczne jest wtedy przerwanie rozwoju obiecującej substancji i planowany lek nie trafia na rynek. Jedną z przyczyn tego problemu jest fakt, że substancje są zwykle testowane na modelach in vitro opartych na komórkach zwierzęcych lub w testach na zwierzętach. W obu przypadkach wyniki testów można ograniczenie przenieść na ludzi. W związku z tym istnieje ryzyko, że u ochotników nagle wystąpią nie do przyjęcia skutki uboczne.

Wielkie nadzieje pokłada się w medycynie w ludzkich indukowanych pluripotentnych komórkach macierzystych (hiPS). Te komórki pochodzą z ludzkiej tkanki i pozwalają na znacznie dokładniejsze określenie działania substancji niż tradycyjne testy. Komórki pobiera się początkowo z ludzkiej tkanki skóry lub próbki krwi i poddaje specjalnemu procesowi reprogramowania w laboratorium. Po tym nie są już przypisane do konkretnej tkanki, stąd nazwa komórki pluripotentne. Do testów substancji leczniczych hiPS-komórki można następnie różnicować w niemal wszystkie typy komórek ludzkiego ciała, czyli różnicować. Ryzyko wystąpienia niepożądanych skutków ubocznych w kolejnych testach klinicznych na ludziach znacznie się zmniejsza.

Bioreaktor do wysokoskalowej produkcji komórek

Komórki potrzebne do testów są wytwarzane w bioreaktorach. Zespół naukowców pod kierownictwem dr Julii Neubauer, kierowniczki działu technologii kriogenicznych i komórek macierzystych w Instytucie Fraunhofer ds. Technologii Medycznych IBMT, osiągnął teraz kluczowy postęp w namnażaniu i różnicowaniu hiPS-komórek w bioreaktorze. „Teraz po raz pierwszy możliwe jest skalowanie procesu tak, aby w krótkim czasie wyprodukować duże ilości funkcjonalnych komórek”, mówi Neubauer.

Wyzwanie dla naukowców z Fraunhofer w ramach wspólnego projektu „R2U-Tox-Assay” polegało na znalezieniu sposobu, jak najlepiej odtworzyć naturalne warunki środowiskowe w ludzkim ciele w bioreaktorze, tak aby komórki szybko się rozmnażały, nie tracąc swojej funkcjonalności. „Specjalnie dla bioreaktora opracowaliśmy i sami wyprodukowaliśmy elastyczny hydrożel jako nośnik. Na nim komórki czują się szczególnie dobrze i mogą się dobrze rozmnażać. Przy wybranych parametrach jesteśmy w stanie wyprodukować istotne dla testów medycznych ilości, sięgające kilku miliardów komórek”, wyjaśnia Neubauer.

Dzięki tym modelom komórkowym, które można różnicować w tkanki takie jak mięsień sercowy, skóra czy komórki nerwowe, można wyposażyć testy do badania i oceny toksyczności substancji leczniczych. Kolejną zaletą jest fakt, że ponieważ hiPS-komórki pochodzą od ludzi i zawierają informacje genetyczne dawcy, można również przeprowadzać testy nowych substancji w przypadku chorób genetycznych.

Szybkie zamrażanie w kriotanku

Kolejnym problemem dla badań farmaceutycznych lub klinik uniwersyteckich jest przechowywanie i dostępność kultur komórkowych. W tym zakresie naukowcy z Fraunhofer wykorzystali swoje wieloletnie doświadczenie w kriokonserwacji komórek.

Kriokonserwacja w IBMT jest unikalna na skalę światową. Modele komórkowe wyhodowane w bioreaktorze są schładzane za pomocą ciekłego azotu w ciągu zaledwie dwóch sekund z około +23 stopni Celsjusza do -196 stopni. Naukowcy z Fraunhofer opracowali także specjalną płytkę do hodowli komórek, w której komórki najpierw są hodowane, a następnie zamrażane. W połączeniu z szybkim procesem chłodzenia, specjalne media zamrażające zapobiegają tworzeniu się kryształów lodu w tkance komórkowej. Kryształy te mogłyby uszkodzić materiał i zamienić go w masę. „Znany wszystkim efekt nieładnego zamrażania, gdy wkładamy truskawki do zamrażarki”, uśmiecha się Neubauer.

W celu opisania prawidłowej procedury, ekspertka z Fraunhofer Neubauer wraz z zespołem opracowała szczegółowy protokół kriogeniczny. Ustala on parametry takie jak szybkość chłodzenia i czas działania mediów zamrażających dla konkretnego rodzaju komórek. Protokół gwarantuje, że wrażliwe ludzkie kultury komórkowe po wyjęciu z kriobehältera i rozmrożeniu będą w pełni funkcjonalne. W tych standaryzowanych płytkach do hodowli komórek kultury są niemal nieograniczone pod względem przechowywania i transportu, co umożliwia wysokoprzepustowe badania w farmacji. Kliniki i laboratoria farmaceutyczne mogą przechowywać kultury komórkowe i mieć zawsze dostęp do odpowiednich komórek do testów toksyczności i substancji leczniczych.

Lepsze testy substancji leczniczych dla nowych leków

Dzięki rozbudowanym koncepcjom bioreaktora i kriobehältera otwiera się droga do efektywnego i praktycznego wykorzystania hiPS-komórek w badaniach medycznych. Klasyczne testy in vitro z komórkami zwierzęcymi oraz etycznie problematyczne testy na zwierzętach zostaną zastąpione znacznie precyzyjniejszymi systemami testowymi. „Ogólnie rzecz biorąc, osiągnięcia projektu »R2U-Tox-Assay« umożliwiają bardziej efektywny i bezpieczny rozwój substancji leczniczych do leczenia różnych chorób, w tym chorób serca i oczu, a nawet deficytów neurologicznych, takich jak demencja”, obiecuje Neubauer.

W ramach właśnie zakończonego wspólnego projektu oprócz IBMT z Fraunhofer uczestniczyły również firma Janssen Pharmaceutica N.V. oraz Instytut Bioengineering Katalonii. Projekt był finansowany w ramach dużej inicjatywy UE EIT Health.