Radioaktywne substancje zwalczają raka w mini-laboratorium

Radiopharmaka są stosowane, gdy chemioterapia, operacja lub radioterapia okazały się nieskuteczne wobec guza. Systemy mikrofizjologiczne naśladują mikrośrodowisko organizmu i stanowią łatwą w użyciu platformę do hodowli modeli 3D guza. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Zespół projektowy z HZDR i Fraunhofer IWS bada, jak za pomocą tak zwanych mikrofizjologicznych systemów można ograniczyć testy na zwierzętach, które obecnie są konieczne przed zastosowaniem u ludzi. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS / Zespół projektowy z HZDR i Fraunhofer IWS bada, jak wykorzystać tak zwane mikrofizjologiczne systemy, aby zmniejszyć liczbę testów na zwierzętach, które obecnie są konieczne przed zastosowaniem u ludzi. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Pierwsze testy z użyciem multi-organ chips wykazały pozytywne wyniki. Większość znanych substancji już wiązała się z sferoidami nowotworowymi. Planowane jest rozszerzenie mikrofizjologicznego systemu o model nerki i organoid wątroby. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Wiązanie [68Ga]Ga-C225 (2 nM) w modułach MPS na A431 (A, B) i MDA-MB435S (C, D); (B) pokazuje nieswoiste wiązanie na A431, (D) na MDA-MB435S (0,8 μM C225); poniżej: wykresy testów nasycenia na monowarstwie A431 w chipach MPS z [64Cu]Cu-C225 (E) i [68Ga]Ga-C225 (F) (czarne, szare, czerwone symbole: całkowite, nieswoiste, specyficzne wiązanie). © HZDR/Fraunhofer IWS

Radioaktywność może uratować życie. Jeśli chemoterapia, operacja ani naświetlanie z zewnątrz nie pomagają w leczeniu guza, w nowoczesnej medycynie stosuje się tak zwane radiofarmaceutyki. Te radioaktywne leki nie tylko wykrywają komórki nowotworowe, ale także umożliwiają ukierunkowane na nie naświetlanie od wewnątrz, co zwalcza guz. Zanim jednak takie substancje będą mogły być stosowane u ludzi, w trakcie ich rozwoju konieczne są obecnie obszerne testy na zwierzętach. Wspólny projekt Instytutu Fraunhofer ds. Technologii Materiałów i Promieniowania IWS we Dworze oraz Centrum Helmholtza w Dreźnie-Rossendorf (HZDR) bada obecnie alternatywną metodę tego procesu. Podstawą tego są sztuczne struktury organów i guzy w formacie chipów.

W 2021 roku w Niemczech, według informacji Federalnego Ministerstwa Żywności i Rolnictwa, użyto łącznie 1,86 miliona kręgowców i głowonogów do celów badawczych. To o dwa procent mniej w porównaniu do poprzedniego roku, ale nadal bardzo dużo. W niemieckich laboratoriach najczęściej używa się myszy, ryb i szczurów. »Wiele zadań badawczych można obecnie rozwiązać tylko za pomocą takich testów na zwierzętach«, wyjaśnia dr Wiebke Sihver z działu Radionuklid-Theragnostics w HZDR. Dlatego niezwykle ważne jest poszukiwanie alternatywnych metod. »Ponadto w modelu zwierzęcym często brakuje istotnych odniesień do ludzkiego organizmu.«

W swojej pracy Wiebke Sihver i jej koledzy z HZDR zajmują się rozwojem i zastosowaniem radioznakowanych substancji do diagnostyki nowotworów, a zwłaszcza także terapii. Te radioligandy są wyposażone w radioaktywne jądro (radionuklid) i wiążą się z molekułą docelową, w przypadku raka z określonymi strukturami docelowymi guza. W ten sposób radiofarmaceutyk działa bezpośrednio na guz. Otaczająca zdrowa tkanka jest chroniona. Przy rozwoju radiofarmaceutyków, po in vitro-Charakterystyce, muszą one być również testowane na modelach zwierzęcych, takich jak myszy i szczury. Już kilka lat temu Wiebke Sihver poszukiwała zamiennika dla wielu testów na zwierzętach w badaniach radiofarmaceutycznych. Podczas poszukiwań alternatywnych systemów szybko trafiła na Instytut Fraunhofer IWS. Tam od kilku lat zespół bada mikrofizjologiczne systemy, które dzięki hodowanym ludzkim mini-organom odzwierciedlają funkcjonowanie ludzkiego organizmu – dzięki zastosowaniu ludzkich komórek, na przykład bliżej ludzkiego guza niż to możliwe w testach na zwierzętach. To był punkt wyjścia dla nowego pomysłu.

Rozwój z dużym potencjałem

Już od ponad dziesięciu lat naukowcy z Fraunhofer IWS zajmują się mini-laboratoriami. Dzięki tym mikrofizjologicznym systemom w formacie pudełka na tabletki można sztucznie odtwarzać funkcje narządów lub procesy chorobowe za pomocą kultur komórkowych. Zawory i kanały symulują układ naczyniowy, a mała pompa odtwarza bicie serca. Mikrofizjologiczne systemy są wykonywane z nałożonych na siebie folii z tworzywa sztucznego. W nich laserowo wycinane są naczynia krwionośne i komory. W specjalnych modułach użytkownicy później zakładają kultury komórkowe, które mogą przeżyć w tych mikro-systemach do miesiąca. W mini-laboratorium krąży w tym czasie krew w formie medium odżywczego, które zaopatruje komórki w tlen i składniki odżywcze. Jeszcze kilka lat temu w tym zakresie możliwe było jedynie odzwierciedlenie dwóch narządów. Dziś można symulować już cztery jednocześnie na tych nowoczesnych chipach wielonarządowych.

Gdy zespół z HZDR zwrócił się do Fraunhofer IWS, eksperci tam bardzo szybko dostrzegli potencjał do nowego zastosowania. »W rozwoju radiofarmaceutyków dotychczas nie stosowano chipów wielonarządowych, więc istnieje duża potrzeba«, wyjaśnia kierownik grupy Florian Schmieder, który od wielu lat zajmuje się badaniami nad Lab-on-Chip w Fraunhofer IWS. Oba instytuty wspólnie ubiegły się o finansowanie z Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań na projekt »Metody alternatywne do testów na zwierzętach«. Projekt ten trwa do 2024 roku. Już osiągnęli pierwsze obiecujące wyniki.

Zmniejszenie liczby testów na zwierzętach

Celem wspólnych badań jest umieszczenie modeli 3D guzów na chipie, co ułatwi i obniży koszty testowania radiofarmaceutyków. Pierwszym wyzwaniem było wyprodukowanie trójwymiarowej agregacji komórek z dwuwymiarowej kultury – sferoidy, który może imitować tkankę nowotworową. »Dzięki temu możemy zintegrować cechy mikro-guzów w naszym systemie«, wyjaśnia inżynier rozwoju Stephan Behrens z Fraunhofer IWS. Perspektywicznie, ta prezentacja na chipie ma stać się coraz bardziej szczegółowa, na przykład przez zastosowanie komórek od pacjentów lub do określenia nowo odkrytych, charakterystycznych białek w różnych typach komórek nowotworowych, które można wykrywać radiopharmakologicznie.

Pierwsze testy Wiebke Sihver i jej zespołu z chipami wielonarządowymi już wykazały pozytywne wyniki. Na początku użyto znanych substancji, których właściwości można było dobrze obserwować na chipie. »Widzieliśmy, że wiązanie z sferoidą guza już działa«, relacjonuje. Planowane jest również przedstawienie na chipach modelu nerek i organoidu wątroby. Szczególnie nerki są uważane za ograniczające dawkę i odgrywają ważną rolę w badaniach radiofarmaceutyków. »Mówiąc potocznie: gdy radioligand się zatrzyma, może to prowadzić do uszkodzeń nerek, a także komórek wątroby«, wyjaśnia naukowiec. Testowanie takich substancji za pomocą kultur komórkowych na chipie jest więc obiecującą alternatywą. Jeśli eksperymenty w ramach projektu będą kontynuowane z pozytywnym wynikiem, później będzie można testować również nieznane radioligandy w tych systemach. »To pozwala zaoszczędzić dużą liczbę testów na zwierzętach«, mówi Sihver. Chociaż nie można jeszcze całkowicie wyeliminować testów na zwierzętach, naukowcy pracują nad ich ograniczeniem.

Florian Schmieder widzi, że dzięki nowemu rozwiązaniu w przyszłości pacjentki i pacjenci będą mieli wiele korzyści. »Możemy przenieść komórki od pacjentów na chip i symulować, jak rozwija się choroba nowotworowa.« Indywidualne terapie będą więc możliwe na miarę. »Nowotwór tworzy także swoiste antygeny, które w modelach zwierzęcych nie są możliwe do odtworzenia.« To samo ma działać na chipach.

Bliska współpraca obu instytutów stanowi imponujący przykład wartości dodanej sojuszu naukowego DRESDEN-concept, w którym zrzeszonych jest 36 partnerów, aby wspierać ośrodek badawczy w Dreźnie i tworzyć oraz wykorzystywać synergie w badaniach, nauczaniu, infrastrukturze i administracji.