Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Uniwersytetu Warszawskiego zaprezentowali nowatorską metodę naśladowania naturalnego rozwoju ludzkich tkanek. Odkrycie to otwiera nowe możliwości w zakresie spersonalizowanych badań leków i medycyny precyzyjnej.
Pomimo ogromnego postępu technologicznego w ostatnich dziesięcioleciach, droga związku chemicznego od momentu jego odkrycia do zastosowania jako nowego leku w praktyce klinicznej zajmuje wiele lat i wiąże się z ogromnymi kosztami. Przed zastosowaniem u pacjentów proponowany lek musi przejść badania laboratoryjne i rygorystyczne procedury testowania w celu zapewnienia bezpieczeństwa i skuteczności. Badania te prowadzone są głównie na zwierzętach i poprzedzają testy kliniczne. Niemniej jednak modele zwierzęce rzadko kiedy dokładnie odzwierciedlają profil biologiczny choroby. Wynika to głównie z różnic w fizjologii poszczególnych gatunków. Dramatycznie spowalnia to wprowadzanie nowych środków terapeutycznych, jak również zwiększa ceny leków i ogólny koszt leczenia.
Aby stawić czoła temu problemowi, naukowcy podejmują wysiłki mające na celu zastąpienie eksperymentów na zwierzętach – tam, gdzie to możliwe – lepszymi, szybszymi i bardziej etycznymi alternatywami, które mogłyby jednocześnie wierniej odzwierciedlać fizjologię człowieka. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badań jest opracowywanie zaawansowanych modeli tkankowych, tworzonych z komórek ludzkich w hodowlach in vitro, co umożliwia szczegółowe „symulowanie” przebiegu chorób i mechanizmów ich hamowania w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Aby technologia ta mogła znaleźć zastosowanie komercyjne, należy rozwiązać m.in. kwestię kontrolowanej rekonstrukcji układu mikronaczyniowego, który ma kluczowe znaczenie dla zaopatrzenia tkanek w tlen, składniki odżywcze, a także badane związki.
Najnowsze badania zespołu naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk i Uniwersytetu Warszawskiego, w ramach międzynarodowej współpracy z Narodowym Instytutem Genetyki Molekularnej, odpowiadają na te wyzwania. Łącząc biologię komórkową, biomateriały oraz inżynierię mikroukładów magnetycznych w celu stworzenia systemów umożliwiających precyzyjne odtworzenie unaczynionych mikrośrodowisk, w tym mikrośrodowisk nowotworowych, oraz testowanie leków cytostatycznych i/lub antyangiogennych, zaproponowali nową strategię bioinżynieryjną mającą na celu kontrolowane tworzenie struktur naczyniowych w skali mikro. Ich oryginalne podejście oparte na manipulacji komórek śródbłonka przy użyciu zewnętrznych pól magnetycznych może stanowić przełom niezbędny do uzyskania kontroli nad organizacją tkanki naczyniowej z niespotykaną dotąd precyzją i wydajnością, otwierając drogę do opracowania wiarygodnych testów przedklinicznych i spersonalizowanych terapii.
Komórki śródbłonka mają naturalną skłonność do agregacji i spontanicznego tworzenia złożonych struktur naczyniowych. Jednak struktury powstające w sposób spontaniczny mają z natury charakter losowy. Naukowcy wysunęli hipotezę, że komórki te można umieścić na powierzchni kulistych mikrocząstek magnetycznych, co pozwoli na powstanie zalążków naczyniowych rozwijających się w ściśle określonych miejscach. Zanim komórki zaczną rosnąć, mikrocząstki są układane w matryce przy użyciu pola magnetycznego generowanego przez dziesiątki ułożonych w regularny wzór mikromagnesów umieszczanych pod komorą hodowlaną, przy czym każdy mikromagnes zadaje położenie pojedynczej mikrocząstki. To unikalne podejście pozwala kontrolować odstępy między zalążkami naczyń, a tym samym precyzyjnie projektować np. rozwój połączeń charakteryzujących wczesne etapy rozwoju sieci naczyń krwionośnych. Co ważne, struktury te nie tylko naśladują zorganizowane struktury tkankowe, ale można je również łatwo odtworzyć i przeskalować do kontrolowanego modelu tkankowego.
W naszych badaniach opracowujemy kontrolowane układy mikronaczyniowe sterowane polem magnetycznym i pokazujemy ich zastosowania w inżynierii mikrośrodowisk nowotworowych oraz badaniach fenotypowych związków antyangiogennych lub cytostatycznych. Aby sprawdzić, czy zaprojektowane sieci mikronaczyniowe wykazują właściwe cechy fizjologiczne, zbadaliśmy integralność strukturalną mikronaczyń w 3D i zweryfikowaliśmy obecność charakterystycznych białek markerowych zdrowych naczyń krwionośnych – relacjonuje dr Katarzyna Rojek z IChF PAN.
Zespół zbadał kilka różnych podejść technologicznych, ostatecznie opracowując optymalną metodologię opartą na wykorzystaniu superparamagnetycznych mikrokulek jako „nasion” naczyniowych oraz ich porządkowaniu w układy za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Po wykiełkowaniu i połączeniu się macierze nasion ostatecznie dojrzewają, tworząc dobrze zorganizowane, funkcjonalne sieci naczyniowe o określonej strukturze. Podejście to otwiera możliwości tworzenia różnych typów modeli tkanek z naczyniami krwionośnymi, w tym modeli nowotworów unaczynionych, skóry lub innych układów biologicznych o rozbudowanym systemie naczyniowym, co pozwala zastąpić metody oparte na zwierzętach systemami laboratoryjnymi odwzorowującymi fizjologię człowieka.
Wykorzystujemy nasz system do znalezienia optymalnego odstępu między nośnikami komórkowymi, poniżej którego sąsiednie mikro-naczynia łączą się ze sobą, a powyżej którego pozostają rozłączne, nawet w późnych fazach hodowli. W tym drugim przypadku można je traktować jako praktycznie niezależne eksperymenty biologiczne, co pozwala na uśrednienie zbiorcze cech morfologicznych. Wykazujemy, że układy mikronaczyniowe hodowane wspólnie, np. z komórkami nowotworowymi, mogą skutecznie służyć jako platforma o wysokiej wydajności do funkcjonalnego badania przesiewowego związków chemicznych w pełnym mikrośrodowisku 3D – tłumaczy dr hab. Jan Guzowski z IChF PAN.
W ramach projektu na Uniwersytecie Warszawskim powstała też autorska metoda numeryczna służąca do ilościowej oceny sieci naczyniowych na podstawie pozyskanych obrazów mikroskopowych. Zautomatyzowana analiza obrazów umożliwiła szybkie przetwarzanie ogromnych ilości danych i pomogła zrozumieć wpływ różnych badanych leków na żywe naczynia krwionośne.
Temat kontroli komórek naczyniowych jest istotny w wielu dziedzinach medycyny, a szczególnie pożądany w onkologii, gdzie nowe terapie są często złożone i generują wysokie koszty rozwoju. Dlatego istnieje silna motywacja do tworzenia ulepszonych modeli eksperymentalnych, które pozwolą dokładniej przewidywać skuteczność i toksyczność leków na wcześniejszym etapie procesu rozwoju. Przełom osiągnięty przez naukowców z IChF PAN i UW odpowiada na tę potrzebę, opisując najmniejszy model unaczynionej tkanki ludzkiej, który stanowi znaczący krok w kierunku medycyny spersonalizowanej. Zaproponowane kontrolowane modele unaczynionej tkanki ludzkiej mogą zmniejszyć zależność od badań na zwierzętach, poprawić zdolność prognostyczną badań przedklinicznych, obniżyć koszty opracowywania leków i potencjalnie umożliwić w przyszłości spersonalizowane testy terapeutyczne.
dr Magdalena Osial, źródło: IChF PAN