Zamiennik testów na zwierzętach – teraz całkowicie bez cierpienia zwierząt

Naukowcy przy drukarce biologicznej

Myszka nie jest człowiekiem. Ta fakt utrudnia badaniom biomedycznym tak bardzo przenoszenie wyników uzyskanych na zwierzętach na nas. Naukowcy pracują więc nad metodami zastępczymi dla testów na zwierzętach, które w idealnym przypadku nie będą wymagały żadnych materiałów pochodzenia zwierzęcego. Cieszy to również myszkę.

Druk 3D modeli tkanek

Naukowcy z TU Berlin po raz pierwszy wyprodukowali model wątroby z ludzkich komórek przy użyciu druku 3D biodruku, bez konieczności korzystania z materiałów pochodzenia zwierzęcego. Ten sukces jest ważnym krokiem w kierunku badań biomedycznych i edukacji, które opierają się wyłącznie na metodach bez zadawania cierpienia zwierzętom. Dotychczas stosowano metody zastępcze dla testów na zwierzętach, na przykład roztwory odżywcze wyprodukowane z płodów cieląt. Do druku 3D modeli narządów potrzebowano dotąd substancji kształtujących strukturę, pochodzących z guzów wywożonych u myszy. Oprócz aspektów etycznych, badania biomedyczne bez komponentów zwierzęcych poprawiają także przenoszalność wyników na ludzi – co daje nadzieję na szybsze opracowywanie leków.

„W Niemczech właściwie jest zakazane ubijanie ciężarnych krów”, wyjaśnia prof. dr Jens Kurreck, kierownik Zakładu Biochemii Stosowanej na TU Berlin. Jeśli ciąża nie zostanie wykryta przed ubojem, zwykle pobiera się od płodu krew, ponieważ zawiera ona wiele substancji pobudzających wzrost, co czyni ją idealną do namnażania komórek w badaniach biologicznych. Krew ta, zwana „płodowym surowicą cieląt”, jest standardowym produktem w każdym laboratorium hodowli komórek.

Prawdopodobnie ponad dwa miliony cielęcych płodów rocznie

„O liczbie cielęcych płodów potrzebnych do tego celu istnieją jedynie szacunkowe dane. Publikacja z 2021 roku szacuje na około dwa miliony na świecie, a od tego czasu zużycie płodowej surowicy cieląt raczej wzrosło”, mówi Kurreck. Większość pochodzi z uboju poza UE i jest słabo nadzorowana przez niemieckie lub europejskie instytucje. „Ponieważ surowica cieląt jest bardzo przydatna do hodowli komórek, jest także używana przez naukowców, którzy chcą zastąpić testy na zwierzętach hodowlami komórek. Tak było do niedawna również u nas.”

Myszy z guzami stanowiącymi jedną piątą masy ciała

Ze względu na to, że grupa Jens Kurreck korzysta z obiecujących metod druku 3D biodruku do produkcji modeli narządów zastępujących testy na zwierzętach, naukowcy musieli dotąd korzystać także z drugiego zwierzęcego produktu wyprodukowanego z specjalnie hodowanych zwierząt. „Dzięki druku 3D możemy z ludzkich komórek tworzyć małe, trójwymiarowe modele narządów, które mogą nawet zawierać sztuczne naczynia krwionośne. Do tego potrzebujemy substancji takich jak laminina i kolagen, które zapewniają tym strukturom niezbędną twardszą strukturę, w odróżnieniu od zwykłych kultur komórkowych”, wyjaśnia naukowiec. Substancje te występują w wysokich stężeniach w specjalnej formie tak zwanej macierzy pozakomórkowej, otaczającej komórki w ciele ludzi i zwierząt, zapewniając kontakt między nimi.

Substancja ta, oznaczona skrótem BME (od „Basement Membrane Extract”), jest pozyskiwana z guzów wywożonych u myszy. „Na końcu taki guz waży około czterech gramów, podczas gdy masa ciała myszy to może dwadzieścia gramów. Już z tego widać, że ten proces stanowi istotne obciążenie dla zwierzęcia”, mówi Kurreck. Ponieważ substancje strukturoforyczne z BME są rutynowo wykorzystywane w innych laboratoriach do różnych zastosowań, liczba zwierząt używanych do produkcji zapewne sięga tysięcy, dodaje Jens Kurreck.

Komponenty zwierzęce czynią badania mniej wiarygodnymi

Ludzkie komórki, odżywiane surowicą z cieląt i pobudzane do namnażania, z których następnie drukuje się ludzkie modele narządów przy użyciu substancji kształtujących strukturę z guzów mysich: „Gdy się przyjrzeć tym etapom produkcji, można dostrzec potencjał do popełniania błędów, jeśli na podstawie tych modeli próbujemy wyciągać wnioski o procesach w ludzkim ciele”, wyjaśnia Kurreck. Co więcej, modele narządów z ludzkich komórek są zasadniczo znacznie lepsze w przewidywaniu odpowiedzi niż testy na zwierzętach, jeśli chodzi o tę samą kwestię. Chociaż w niektórych przypadkach ludzkie komórki nowotworowe są wprowadzane do zwierząt, to i tak znajdują się one w środowisku zwierzęcego tkanki i komunikują się z tymi zwierzęcymi komórkami, co znacznie utrudnia przenoszenie wyników na ludzi.

Do tego, jak dodaje Kurreck, skład komponentów zwierzęcych, takich jak płodowa surowica cieląt, jest zawsze nieco zmienny. Nie można więc być pewnym, czy jedna partia na przykład pobudza wzrost komórek tak samo jak inna. „90 procent kandydatów na leki, które wydają się obiecujące w laboratorium i na zwierzętach, kończy się niepowodzeniem na etapie testów klinicznych na ludziach. Aby poprawić tę sytuację, celem jest całkowite wyeliminowanie testów na zwierzętach i używania zwierzęcych dodatków i substancji pomocniczych.”

Chemicznie precyzyjnie zdefiniowane media odżywcze i substancje strukturalne pochodzenia ludzkiego

Za pomocą pierwszego modelu tkankowego wątroby, całkowicie bez materiałów pochodzenia zwierzęcego, doktorant Ahmed Ali i inni członkowie grupy Jens Kurreck osiągnęli duży krok w tym kierunku. Zastąpili oni płodową surowicę cieląt chemicznie precyzyjnie zdefiniowanym medium odżywczym z czynnikami wzrostu, insuliną, selenem, cukrami i solami. „Musieliśmy dostosować to medium nie tylko do specyficznego typu ludzkich komórek wątroby, które używaliśmy, ale także powoli przyzwyczajać je do nowego środowiska”, opowiada Kurreck. Komórki wyjściowe do rozpoczęcia eksperymentu pochodziły oczywiście od firmy, która wykorzystywała surowicę cieląt do ich namnażania.

Jako zamiennik dla strukturoforycznego mieszanki BME z guzów mysich, naukowcy użyli ludzkiego kolagenu pochodzącego z łożysk, które w wiedeńskich szpitalach po porodzie byłyby zwykle wyrzucane jako odpad. „To, co wydaje się proste, w praktyce wymagało skomplikowanego procesu dostosowania, wielu prób i szerokich badań literaturowych”, mówi Jens Kurreck. Na przykład, specjalne pojemniki do hodowli komórek musiały być dodatkowo pokryte ludzkim kolagenem z łożysk, aby zapewnić podobną przyczepność jak w tradycyjnych metodach.

Potwierdzenie skuteczności metody bez zadawania cierpienia zwierzętom

Aby przetestować nowy, bezpieczny dla zwierząt model wątroby, naukowcy wystawili go na działanie toksyny okadycyny, produkowanej przez algi, gromadzącej się w muszlach i mogącej powodować poważne zatrucia ryb. Okazało się, że dwuwymiarowe struktury komórek drukowane w ten sposób wykazywały taką samą wrażliwość na toksynę, niezależnie od tego, czy były wyhodowane i wydrukowane z tradycyjnych czy nowoczesnych substancji bez komponentów zwierzęcych. Trójwymiarowy model tkanki wątroby również wykazał oczekiwaną wrażliwość.

Przejście do praktyki dzięki interdyscyplinarnemu podejściu

Optymiści spośród naukowców patrzą z nadzieją na to, że ich nowa, bezzadawiająca cierpienia metoda nie tylko szybko znajdzie zastosowanie w praktyce, ale także szerokie zastosowanie. Współpraca z Albertem Braeuningiem z Federalnego Instytutu Oceny Ryzyka (BfR), jako krajowym organem ds. bezpieczeństwa żywności, była nie tylko okazją do bezpośredniego udziału w publikacji. Również Zakład Biotechnologii i Technologii Procesów Żywności na TU Berlin, kierowany przez prof. dr Cornelię Rauh, przyczynił się do badania parametrów mechanicznych nowej żywicy do druku 3D biodruku. Naukowcy z tego zakładu współpracują również z grupą Jens Kurreck nad hodowlanym mięsem dla ludzkiego odżywiania, które także wymaga metod hodowli bez surowicy cieląt. Planowana jest przyszła optymalizacja metody bez zadawania cierpienia zwierzętom we współpracy z Zakładem Bioprocesów na TU Berlin, kierowanym przez prof. dr. Petera Neubauera. W przyszłości humanie kolageny mogą być produkowane na skalę potrzebnych ilości przez drożdże lub, w dalszej przyszłości, bezpośrednio z ludzkich kultur komórkowych.