Nowa szansa dla terapii nowotworowej: Miniaturowe laboratorium umożliwia wgląd w powstawanie przerzutów

Razem badacze z Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IWS i Uniwersytetu w Ratyzbonie badają przerzutowanie komórek nowotworowych w systemach mikrofizjologicznych. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / Naukowcy z Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IWS i Uniwersytetu w Ratyzbonie wspólnie badają wzrost komórek nowotworowych w systemach mikrofizjologicznych. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Od kilku lat Fraunhofer IWS rozwija mikrofizjologiczne systemy o rozmiarze pudełka na tabletki. Teraz możliwe jest hodowanie do dziesięciu przekrojów tkankowych na jednym chipie. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Aby dowiedzieć się, jak komórki nowotworowe rozwijają się i rozprzestrzeniają w ciele, partnerzy badawczy chcą w przyszłości jeszcze skuteczniej odtwarzać warunki środowiskowe w mikroukładach. © 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

Oprócz raka, inne choroby, takie jak włóknienie, mogą być również badane na przekrojach tkanek w systemach mikrofizjologicznych. Naukowcy z Fraunhofer IWS i Fraunhofer ITEM pracują nad tym wspólnie w ramach projektu FIBROPATHS. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Każdego roku w Niemczech na raka choruje około pół miliona ludzi. Pomimo istnienia skutecznych metod terapeutycznych dla wielu rodzajów nowotworów, wiele pytań dotyczących rozwoju choroby pozostaje bez odpowiedzi. Dlaczego powstaje guz? Jakie czynniki sprzyjają wzrostowi komórek nowotworowych? Dlaczego przerzuty z czasem rozprzestrzeniają się na kolejne narządy? Dotychczas głównie stosowane modele zwierzęce odzwierciedlają jedynie w ograniczonym stopniu rzeczywiste procesy zachodzące w ludzkim ciele. Instytut Fraunhofer ds. Technologii Materiałów i Promieniowania IWS w Dreźnie, we współpracy z Fraunhoferem Instytutem Toksykologii i Medycyny Doświadczalnej ITEM w Hanowerze oraz Uniwersytetem w Ratyzbonie, opracował specjalne mikrosystemy. W nich obecnie badają wycinki tkanek guzów w warunkach zbliżonych do rzeczywistych.

Mikrofizjologiczne systemy wielkości pudełka na tabletki, które od kilku lat z powodzeniem rozwija instytut Fraunhofer IWS, umożliwiają sztuczne odwzorowanie funkcji narządów lub procesów chorobowych za pomocą kultur komórkowych, badanie chorób poza organizmem, czyli ex vivo, oraz testowanie leków. »Układamy na siebie kilka warstw folii plastikowej«, wyjaśnia Stephan Behrens, inżynier ds. rozwoju w Fraunhofer IWS. Najpierw używa się laserów do strukturyzacji tych warstw. Powstają kanały i komory, pompy i zawory. W ten sposób modelowane są określone procesy zachodzące w ludzkim ciele. W mikrofizjologicznych systemach krąży płyn podobny do krwi, który dostarcza komórkom tlen i składniki odżywcze. Nowym wyzwaniem w interdyscyplinarnym projekcie było zbadanie w mikrofizjologicznych systemach przerzutów nowotworowych.

W tym celu zwrócił się do instytutu Fraunhofer IWS prof. Christoph Klein, kierownik Katedry Medycyny Doświadczalnej i Terapii na Uniwersytecie w Ratyzbonie oraz kierownik działu Personalizowanej Terapii Nowotworów w Fraunhofer ITEM. Wspólnie z Uniwersytetem w Erlangen-Nürnberg, niemiecki fundusz badawczy (Deutsche Forschungsgemeinschaft) przyznał w 2020 roku Ratyzbonie specjalny obszar badawczy. Celem jest wyjaśnienie, jak dokładnie przerzuty zasiedlają narządy.

Nowotwór i układ odpornościowy współdziałają na chipie

„Aby to zbadać, dla nas ważne było zintegrowanie w mikrofizjologicznym systemie kilku wycinków tkanek nowotworowych“, mówi Florian Schmieder, kierownik grupy w Fraunhofer IWS. Po raz pierwszy na świecie udało się to w tym projekcie. Teraz na chipie można hodować do dziesięciu wycinków tkanek równocześnie. Zespół z Fraunhofer IWS dodał także otwory, w których można w każdej chwili pobrać próbki do badań. „Ponadto można ciągle mierzyć ważne parametry, takie jak zawartość CO2, pH czy stężenie tlenu“, dodaje Schmieder. „Używane do tego sensory mierzą bezpośrednio w mikrofizjologicznym systemie i mogą być ponownie wykorzystywane do dalszych badań.“

Eksperci z Fraunhofer ITEM wnieśli swoją wiedzę na temat wycinków tkanek. Użyli do tego najdrobniejszych wycinków z tkanek płucnych, wyjaśnia prof. Armin Braun, kierownik działu Farmakologii Klinicznej i Toksykologii w Fraunhofer ITEM. „Podczas operacji u pacjenta z guzami płuc, pobiera się nie tylko guz, ale także zdrową tkankę.“ Vibratome wyposażony w oscylującą ostrzałkę tnącą tworzy z tych próbek cienkie plastry o grubości 350 mikrometrów i średnicy około centymetra. Nadal są one dobrze odżywione. Po umieszczeniu na chipie wycinki tkanek pozostają w mikrofizjologicznym systemie żywe i funkcjonalne przez dłuższy czas. „W ten sposób możemy obserwować interakcję ludzkiego układu odpornościowego z guzem“, dodaje Braun. Wszystkie istotne komórki odpornościowe są już obecne w wycinku. „Dzięki temu jesteśmy bardzo blisko rzeczywistego systemu, znacznie bliżej niż w przypadku modeli zwierzęcych.“

Systemy do badania innych chorób również w użyciu

Jak więc dokładnie rozwija się rak i jak się rozprzestrzenia w ciele? Ważnym aspektem jest to, że metabolizm w guzie różni się od tego w zdrowej tkance. „Dla lekarzy ważne jest, aby móc badać, jakie warunki w narządzie przyciągają przerzuty“, wyjaśnia Florian Schmieder. Wysokie stężenia tlenu i pH są tego kluczowe. Naukowcy z Fraunhofer IWS planują w przyszłości jeszcze skuteczniej dostosowywać te warunki w mikrosystemach. „Dotychczas możemy na przykład zmieniać poziom tlenu w całym systemie“, wyjaśnia dalej. Nowym wyzwaniem jest umożliwienie na chipie różnych stężeń tlenu, aby móc obserwować reakcję komórek nowotworowych i przerzutów na te zmiany.

Idealnie byłoby połączenie różnych rodzajów tkanek pacjenta. „Takie próbki są jednak w rzeczywistości bardzo rzadkie“, mówi Schmieder. Możliwe jest jednak łączenie próbek krwi i tkanek tego samego pacjenta w systemie. W połączeniu z różnymi sensorami daje to wartość dodaną, której dotąd nie można było osiągnąć innymi metodami. Technologia ta może więc służyć jako sensowna alternatywa dla dotychczasowych testów na zwierzętach. Niestety, na razie nie można całkowicie zrezygnować z modeli zwierzęcych w badaniach.

Równocześnie zespół z 15 osób z Fraunhofer IWS pracuje nad projektami, które testują zastosowanie wycinków tkanek w badaniach innych chorób. Przykładem jest zwłóknienie. W tym przypadku dochodzi do zmienionej reakcji układu odpornościowego z tkanką, która następnie ulega chorobowemu zgrubieniu i częściowej utracie funkcji. Procesy te ograniczają funkcję tkanek i narządów. „Pracujemy nad tym w ramach wewnętrznego projektu Fraunhofer FIBROPATHS“, mówi Schmieder. Należy wyjaśnić, jakie konkretne systemy potrzebują poszczególne tkanki, aby można je było dłużej hodować.

Nowe terapie dla pacjentów z rakiem możliwe

Dotychczasowe wyniki badań nad wzrostem guzów i tworzeniem przerzutów za pomocą mikrofizjologicznych systemów są dla prof. Christopha Kleina pozytywne. „Jeśli chcemy badać choroby, jest to nowa, bardzo interesująca możliwość, którą dysponujemy“, mówi lekarz. „Zrozumienie przerzutów w szerokim zakresie jest kluczem do nowych metod terapii, które zapobiegną późniejszemu tworzeniu się przerzutów w ciele pacjentów z rakiem.“

Florian Schmieder widzi w tej technologii ogromny potencjał na przyszłość: „Będziemy coraz bardziej modułowi w naszych systemach“. Różne elementy będą mogły być w przyszłości łączone na nowo, aby rozwiązywać najróżniejsze pytania naukowe.