fbpx

Lepszy model badawczy – biodruk mini-wątroby

Podczas procesu tworzenia nowych leków i substancji terapeutycznych jednym z istotnych elementów jest ocena cytotoksyczności [1]. Jest to  szczególnie ważne w kontekście komórek wątroby – narządu, który odpowiada m.in. za neutralizację toksyn w naszym ciele. Należy, możliwie jak najwcześniej w procesie badawczym, ocenić hepatotoksyczność [2], przed wprowadzeniem leku do faz badania, w których testy przeprowadzane są na ludziach.

[1] czyli szkodliwego wpływu leku na komórki organizmu
[2] toksyczne działanie na komórki wątroby

Wydruk wykonany przy pomocy biodrukarki 3D
Zdjęcie 1. Wydruk wykonany przy pomocy biodrukarki 3D
Źródło: Sygnis New Technologies

DILI, czyli uszkodzenie wątroby wywołane działaniem leków

DILI (ang. drug induced liver injury) to skala klasyfikacji stanu uszkodzenia wątroby spowodowanego bezpośrednio przez zastosowanie leków. Ocena wpływu na wątrobę jest istotna na każdym etapie badań nad nimi. Równie istotne jest stałe monitorowanie odpowiedzi fizjologicznej populacji korzystającej z danego leku w IV fazie, tj. fazie po rejestracji i wprowadzeniu leków do obrotu na rynku farmaceutycznym.

Jednak to właśnie wczesna ocena toksyczności jest kluczowa dla oceny ogólnego wpływu danego leku na komórki wątroby. W konsekwencji pozwala to stworzyć bilans korzyści terapeutycznych oraz ryzyka związanego z ewentualną toksycznością leku. Monitorowanie współczynnika DILI po podaniu testowanych leków, jednocześnie obserwując zdolności wątroby do detoksykacji, należy zatem przeprowadzać na etapie badań na hodowlach tkankowych. Dzięki nowoczesnym technikom, takim jak biodrukowane hodowle komórkowe 3D, jest to teraz możliwe w nieosiągalnej do tej pory jakości.

Proces drukowania modelu ucha przy użyciu druku 3D
Zdjęcie 2. Drukowanie modelu 3D przy użyciu biodruku
Źródło: Cellink

Oczywistą przewagę nad hodowlą tkankową na szalce tj. w dwóch wymiarach, mają struktury trójwymiarowe ponieważ wierniej oddają faktyczną budowę oraz warunki panujące w tkance. W wielowarstwowych strukturach komórki wchodzą w interakcje ze sobą w większej skali, co daje dużo bardziej zbliżony do rzeczywistości obraz ich funkcjonowania w tkankach czy całych organach. W badaniu Koti et al. 2020 Cellink LLC, Boston, MA, USA zaproponowano, a następnie przetestowano model mini-wątroby biodrukowany technologią DID (ang. Droplet-in-Droplet, kropla w kropli). Metoda biodruku DID polega na zawieszaniu kropli, zawierającej komórki z konkretnej hodowli, w kropli półpłynnego medium – w tym przypadku było to medium bogate w kolagen typu I. Wydrukowanie trójwymiarowej struktury metodą DID umożliwiło kontrolowane kształtowanie się układu komórek oraz obserwację ich interakcji z przestrzenią międzykomórkową.

Jak badano współczynnik DILI na drukowanych modelach wątroby i czego się dowiedzieliśmy?

We wspomnianym wyżej badaniu wydrukowane modele wątroby poddawano działaniu różnych leków, m. in. acetaminofenu (paracetamol) oraz flutamidu [3] w różnych stężeniach. Substancje te należą odpowiednio do 3 i 1 klasy DILI (silnie i lekko uszkadzające wątrobę). Po podaniu leków sprawdzano parametry hodowli, m.in. aktywność aminotransferazy alaninowej [4], która bierze udział w metabolizmie białek – wynik ten bezpośrednio wskazuje na stopień uszkodzenia białek komórek wątroby. Badano również przeżywalność komórek i wydzielanie albumin [5], a także produkcję lipidów.

Podwyższona aktywność ALT i obniżona produkcja lipidów oraz białek wskazuje na uszkodzenie komórek wątroby. W przeprowadzonym badaniu udało się odtworzyć parametry hodowli spodziewane przy toksycznym wpływie stosowanych leków. Oznacza to, że technika biodruku Droplet-in-Droplet pozwala na lepsze odwzorowanie tkanki ludzkiej wątroby w warunkach laboratoryjnych, a w konsekwencji otwiera drzwi do zaawansowanych badań metabolizmu i fizjologii komórek ludzkich.

[3] niesteroidowy lek o działaniu antyandrogenowym
[4] narządowo niespecyficzny enzym indykatorowy, biorący udział w przemianach białek – w skrócie ALT, ALAT, AlAT lub GPT od ang. glutamic pyruvic transferase
[5] białko występujące w płynach (np. osoczu krwi i mleku) oraz w tkankach zwierzęcych i w nasionach roślin

Maszyna podczas biodrukowania 3D
Zdjęcie 3. Biodruk 3D
Źródło: Sygnis New Technologies

Korzyści płynące z korzystania z biodrukowanych modeli do badań

Możliwość prowadzenia wstępnych faz klinicznych i badań nad substancjami na modelach stworzonych dzięki technologii biodruku niesie szereg korzyści. Przede wszystkim badanie prowadzone jest w środowisku znacznie zbliżonym do warunków rzeczywistych – hodowle komórkowe 3D pozwalają wierniej oddać działanie narządu in vivo [6], niż płaska struktura na szalce. Ponadto badanie wykonywane jest na komórkach organizmów, dla których substancja miałaby być przeznaczona, czyli w przypadku leków dla ludzi – na komórkach ludzkich. W znacznym stopniu – a w szerszej perspektywie może nawet całkowicie – pozwoliłoby to odejść od przeprowadzania badań na zwierzętach, których materiał biologiczny nie stanowi idealnego modelu do badań nad lekami dla ludzi, a jego wykorzystanie wzbudza liczne kontrowersje etyczne.

[6] łac: „w żywym” np. ciele, organizmie

Więcej na temat zastosowań biodruku w nauce i medycynie przedstawił Grzegorz Kaszyński – VP Sales w Sygnis, podczas IV edycji webinarów „Wiedza ma Warstwy”:

Autor: Marta Robak