Magnesy pomagają tworzyć sieci naczyń krwionośnych do testowania leków
Badania na zwierzętach często nie pozwalają przewidzieć reakcji ludzkich tkanek na leki, są kosztowne i budzą wątpliwości etyczne. Dlatego naukowcy poszukują alternatyw. Zespół z IChF PAN, UW i badaczy z Włoch, opracował metodę magnetycznego sterowania tworzeniem sieci naczyń krwionośnych.
Ich rozwiązanie pozwala odtwarzać w laboratorium unaczynione tkanki i wykorzystywać je do testowania nowych leków, m.in. przeciwnowotworowych. Naukowcy podkreślają, że otwiera to nowe możliwości w badaniach spersonalizowanych i medycynie precyzyjnej, przyspiesza eksperymenty, obniża koszty i ogranicza potrzebę eksperymentów na zwierzętach.
Jak zwrócili uwagę naukowcy w komunikacie przesłanym PAP, rosnąca liczba zachorowań na choroby przewlekłe, w tym nowotwory i choroby autoimmunologiczne, napędza rozwój nowych leków. Proces ich wprowadzania do praktyki klinicznej jest jednak długotrwały i kosztowny. Każdy kandydat na lek musi przejść wieloletnie testy laboratoryjne i badania przedkliniczne, prowadzone głównie na zwierzętach.
Modele zwierzęce często nie odzwierciedlają jednak dokładnie fizjologii człowieka, co wynika z różnic międzygatunkowych. W efekcie część badań okazuje się mało przydatna, a to wydłuża proces opracowywania leków i zwiększa ich koszty. Z tego względu na świecie prowadzone są intensywne prace nad alternatywami, które byłyby jednocześnie bardziej wiarygodne, szybsze i etyczne.
Jednym z najbardziej obiecujących kierunków są modele tkankowe, które tworzy się w laboratorium z prawdziwych ludzkich komórek. Umożliwiają one odtwarzanie przebiegu chorób i testowanie działania leków w kontrolowanym środowisku. Kluczowym wyzwaniem pozostaje jednak odtworzenie układu mikronaczyniowego, odpowiedzialnego za dostarczanie tlenu, składników odżywczych i badanych substancji do tkanek.
Tym problemem zajął się zespół naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, we współpracy z ekspertami z Mediolanu i Rzymu. Efektem ich prac jest publikacja w czasopiśmie „Lab on a Chip” (https://doi.org/10.1039/d5lc00664c).
Badacze połączyli metody biologii komórkowej, inżynierii biomateriałów i technologii mikroukładów magnetycznych, opracowując system umożliwiający precyzyjne odtwarzanie unaczynionych mikrośrodowisk, także tych nowotworowych, oraz testowanie leków cytostatycznych (hamujących podziały komórek) i antyangiogennych (hamujących powstawanie naczyń).
- W naszych pracach 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 - powiedziała pierwsza autorka publikacji, dr Katarzyna Rojek.
Przedstawiciele IChF PAN wyjaśnili, że komórki śródbłonka, które wyściełają naczynia krwionośne, mają naturalną zdolność do tworzenia złożonych struktur naczyniowych, jednak w warunkach laboratoryjnych proces ten przebiega losowo. Naukowcy zaproponowali więc rozwiązanie polegające na osadzaniu komórek śródbłonka na powierzchni magnetycznych mikrokulek. Tak przygotowane „zalążki” naczyń są następnie rozmieszczane w przestrzeni przy użyciu pola magnetycznego generowanego przez dziesiątki ułożonych w regularny wzór mikromagnesów umieszczanych pod komorą hodowlaną. Każdy mikromagnes wyznacza pozycję pojedynczej mikrocząstki.
Dzięki temu możliwe jest precyzyjne kontrolowanie odległości między rozwijającymi się naczyniami. Po uporządkowaniu mikrokulek i rozpoczęciu wzrostu komórki tworzą połączone, funkcjonalne sieci naczyń o określonej strukturze. Są one powtarzalne i mogą być skalowane, co czyni je użytecznym modelem do badań laboratoryjnych.
- Wykorzystujemy nasz system do znalezienia optymalnego odstępu między nośnikami komórkowymi, poniżej którego sąsiednie mikronaczynia 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 - powiedział jeden z kierowników badania dr hab. Jan Guzowski.
W ramach projektu opracowano także narzędzia do analizy powstających struktur. Doktorant Antoni Wrzos z UW stworzył metodę numeryczną, umożliwiającą ilościową ocenę sieci naczyniowych na podstawie obrazów mikroskopowych. Taka zautomatyzowana analiza pozwoliła na szybkie przetwarzanie bardzo dużych zbiorów danych i ocenę wpływu badanych leków na naczynia krwionośne.
Naukowcy podkreślili, że kontrolowane modele naczyniowe mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach medycyny. Szczególnie pożądane są w onkologii, gdzie opracowanie nowych terapii często jest bardzo drogie i złożone. Lepsze modele eksperymentalne pozwalają wcześniej ocenić skuteczność i toksyczność leków, co może przyspieszyć ich rozwój i obniżyć koszty.
Badania zostały sfinansowane przez NCN.
Katarzyna Czechowicz (PAP)
kap/ zan/