Czy można pobrać komórki nowotworowe od pacjenta, stworzyć z nich tysiące miniaturowych modeli guza, a następnie w ciągu kilku dni sprawdzić, który z dziesiątek lub setek dostępnych leków zadziała najlepiej? Nad technologią, która sprawi, że taki scenariusz stanie się rzeczywistością, pracują naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Opracowywana przez nich platforma WellBioprints pozwala tworzyć tysiące mikroskopijnych „bioreaktorów” zawierających żywe ludzkie komórki. Projekt rozwijany jest w ramach programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
Lek może doskonale radzić sobie z komórką nowotworową w laboratorium, a mimo to nie dawać efektów terapeutycznych u człowieka. Jedną z przyczyn jest ogromna różnica pomiędzy prostym modelem wykorzystywanym podczas badań a prawdziwym organizmem. Nowotwór nie jest bowiem wyłącznie skupiskiem nieprawidłowo rozwijających się komórek nowotworowych. Wokół niego znajduje się całe mikrośrodowisko zbudowane z innych typów zdrowych – choć często zmodyfikowanych przez nowotwór – komórek i struktur, które mogą wpływać na rozwój choroby, a nawet chronić guz przed leczeniem. Tymczasem wiele najprostszych modeli laboratoryjnych tego mikrośrodowiska w ogóle nie uwzględnia.
Możemy mieć związek, który świetnie niszczy pojedynczą komórkę nowotworową, ale u pacjenta sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana. Guz tworzy własne środowisko, korzysta z otaczających go komórek, niejednokrotnie je ‘przeprogramowując’ tak aby chroniły go przed terapią. Jeśli model laboratoryjny tego nie odtwarza, łatwo przecenić skuteczność potencjalnego leku – tłumaczy dr hab. Jan Guzowski z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
Jak zmieścić tkankę w kropli?
Pomysł stojący za WellBioprints jest zaskakująco prosty. Komórki ludzkiego organizmu mają naturalną zdolność do organizowania się i współpracy. Jeśli umieści się odpowiednie typy komórek blisko siebie i zapewni im właściwe środowisko, zaczynają tworzyć struktury przypominające prawdziwą tkankę. Nie powstaje oczywiście samodzielnie funkcjonująca miniaturowa wątroba czy trzustka, którą można by rozpoznać gołym okiem. Mowa tutaj raczej o mikrotkankach, czyli zlepkach komórek o rozmiarze znacznie poniżej milimetra, które odwzorowują jednak dobrze określone cechy fizjologiczne danej tkanki. Mikrotkanki zawierają różne, odpowiednie dla danej tkanki typy komórek, które zaczynają współdziałać w sposób podobny do tego, jaki znamy z organizmu człowieka.
Zespół Jana Guzowskiego umieszcza komórki w mikroskopijnych kroplach o średnicy około 200 mikrometrów – to mniej więcej dwukrotność grubości ludzkiego włosa. Każda taka kropla staje się osobnym mikrobioreaktorem i może być traktowana jak niezależny eksperyment biologiczny.
W największym skrócie można powiedzieć, że tworzymy tysiące bardzo małych naczyń laboratoryjnych, każde z nich będące w rzeczywistości ledwo dostrzegalną kroplą. W środku znajdują się żywe komórki oraz odpowiedni biomateriał (coś w rodzaju żelu lub galaretki), które pozwala im organizować się w mikrotkankę. Każda kropla może później zostać poddana działaniu innego leku, innej kombinacji leków albo innego stężenia – wyjaśnia naukowiec.
Samo wyprodukowanie tysięcy kropli nie wystarczy. Swobodnie pływające w cieczy szybko by się wymieszały i po pewnym czasie nie byłoby wiadomo, która została poddana jakiemu eksperymentowi. Badacze opracowali więc metodę ich „drukowania” na przezroczystym podłożu. Krople zostają unieruchomione w określonych miejscach, dzięki czemu można obserwować je pod mikroskopem przez wiele dni i śledzić reakcję mikrotkanek na leczenie.
Sto terapii zamiast jednego strzału
Jednym z najbardziej interesujących kierunków rozwoju technologii jest medycyna spersonalizowana. Dzisiaj dwóch pacjentów może mieć nowotwór tego samego narządu i tą samą diagnozę, a mimo to zupełnie inaczej odpowiedzieć na leczenie. Guzy różnią się między sobą genetycznie i biologicznie. Szczególnie trudna sytuacja pojawia się wtedy, gdy standardowa terapia przestaje działać i lekarz musi zdecydować, po jakie kolejne rozwiązanie sięgnąć.
WellBioprints ma w przyszłości umożliwić pobranie komórek z biopsji konkretnego pacjenta, stworzenie z nich tysięcy mikrotkanek i równoległe przetestowanie dziesiątek/setek leków lub ich kombinacji.
Lekarz często musi wybrać kolejną terapię, mając w praktyce bardzo ograniczoną wiedzę na temat możliwej reakcji danego pacjenta na konkretny lek lub kombinację kilku leków. W odpowiedzi na ten problem chcielibyśmy doprowadzić do sytuacji, w której z komórek pacjenta można stworzyć kompletny panel lekowy i sprawdzić który wariant leczenia daje najlepszy efekt terapeutyczny. Zamiast zgadywać wyłącznie na podstawie statystyk klinicznych, można byłoby bezpośrednio sprawdzić reakcje komórek konkretnego pacjenta – mówi dr hab. Jan Guzowski.
Różnica może dotyczyć nie tylko liczby sprawdzanych wariantów, ale także czasu. Istnieją dziś eksperymentalne metody, w których komórki pobrane od pacjenta wszczepia się zwierzętom, a dopiero później sprawdza reakcję na poszczególne leki. Taki proces może trwać miesiącami. W przypadku zaawansowanej choroby nowotworowej wynik często nadchodzi zbyt późno.
Naszym celem jest skrócenie takiego procesu do około tygodnia. W onkologii to fundamentalna różnica. Zaczynamy mówić o narzędziu, które potencjalnie da się wykorzystać w praktyce klinicznej – podkreśla lider zespołu.
Mysz nie zawsze zachowuje się jak człowiek
Nowa technologia może mieć znaczenie również na wcześniejszym etapie – podczas opracowywania nowych leków w badaniach przedklinicznych. Badania na zwierzętach pozostają ważnym elementem rozwoju terapii, jednak nie zawsze dobrze przewidują reakcję ludzkiego organizmu. Szczególnym wyzwaniem są immunoterapie, ponieważ układ odpornościowy człowieka bardzo różni się od układów odpornościowych innych gatunków. Nawet stosunkowo niewielkie różnice biologiczne mogą w tym przypadku przesądzić o skuteczności albo toksyczności terapii.
Zespół chce tworzyć mikromodele zawierające również ludzkie komórki układu odpornościowego i sprawdzać, czy można na nich wcześniej wykrywać niepożądane reakcje.
Nie zakładamy, że z dnia na dzień wszystkie badania na zwierzętach staną się niepotrzebne. Możemy jednak stopniowo ograniczać ich wykorzystanie tam, gdzie wiemy, że model zwierzęcy jest mało miarodajny. W immunoterapii to szczególnie ważne, ponieważ chcemy wiedzieć nie tylko, czy związek zadziała, ale również czy nie wywoła u człowieka niebezpiecznej reakcji, której wcześniej nie zobaczyliśmy u zwierzęcia – mówi badacz.
Nie tylko obserwować, czy guz rośnie
Reakcję mikrotkanek można analizować na kilka sposobów. Najprostszy to obserwacja, czy miniaturowy guz rośnie, czy zaczyna się kurczyć pod wpływem terapii. Naukowcy wykorzystują także mikroskopię fluorescencyjną, badają obecność określonych białek i aktywność fizjologiczną komórek. W dalszej perspektywie technologia może zostać połączona z bardziej zaawansowanymi analizami molekularnymi. Zespół rozpoczyna współpracę międzynarodową dotyczącą możliwości badania aktywności poszczególnych genów w mikrotkankach. Pozwoliłoby to obserwować nie tylko, czy terapia działa, ale również co dokładnie dzieje się w komórkach pod jej wpływem.
Jeśli patrzymy wyłącznie na wielkość mikroguza, widzimy efekt końcowy. Chcielibyśmy jednak móc zajrzeć głębiej i zobaczyć, jakie procesy uruchamia lek w komórkach. To daje znacznie więcej informacji o mechanizmie działania terapii i może pomóc lepiej zrozumieć, dlaczego u jednych pacjentów leczenie działa, a u innych nie – wyjaśnia naukowiec z IChF PAN.
Jest uczestnikiem pierwszej edycji programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Jak podkreśla, inicjatywa ta różni się od typowego grantu badawczego. Nie chodzi tu przede wszystkim o finansowanie kolejnych eksperymentów laboratoryjnych, lecz o sprawdzenie, czy technologia odpowiada na realne potrzeby przyszłych odbiorców i w jaki sposób można stworzyć na jej podstawie produkt lub usługę. Zespół rozmawia między innymi z przedstawicielami laboratoriów akademickich i branży biotechnologicznej. Jednym z najważniejszych wniosków okazało się duże zainteresowanie modelami tworzonymi bezpośrednio z komórek pacjentów.
PRIME zmusił nas do zadania sobie innego pytania niż to, które naukowiec stawia zwykle w laboratorium. Nie tylko: „czy potrafimy to zrobić?”, ale: „kto rzeczywiście tego potrzebuje i za co będzie gotowy zapłacić?”. Dzięki rozmowom z rynkiem zobaczyliśmy bardzo wyraźne zapotrzebowanie na testy wykorzystujące komórki bezpośrednio pobrane od pacjentów. To ważna informacja, która wpływa na kierunek dalszego rozwoju naszej technologii – przyznaje dr hab. Jan Guzowski.
Dziś w badaniach powszechnie wykorzystywane są tak zwane linie komórkowe – populacje komórek, które mogą być hodowane i namnażane przez bardzo długi czas. Część z nich pochodzi z materiału pobranego od pacjentów kilkadziesiąt lat temu. Przez kolejne dekady komórki dzielą się i zmieniają, dlatego coraz słabiej mogą odzwierciedlać biologiczną rzeczywistość współczesnego pacjenta, nie mówiąc o konkretnym chorym. To jeden z powodów, dla których firmy farmaceutyczne coraz częściej interesują się modelami tworzonymi ze świeżo pobranego materiału biologicznego.
Jeśli WellBioprints spełni pokładane w nim nadzieje, tysiące kropli niewidocznych niemal gołym okiem mogą w przyszłości pomagać odpowiadać na jedno z najważniejszych pytań współczesnej onkologii: nie tylko jaki lek działa na dany typ nowotworu, ale jaki lek ma największą szansę zadziałać u tego konkretnego pacjenta.
PRIME to program akceleracyjny transferu wiedzy i technologii dla naukowców i organizacji badawczych, realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Uczestnicy rozwijają kompetencje związane z komercjalizacją oraz weryfikują potencjał rynkowy swoich technologii w rozmowach z przyszłymi odbiorcami. PRIME jest finansowany z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG).
MK