Krzemowa świnka morska

Na pierwszy rzut oka chip Michaela Shulera może uchodzić za każdą małą płytkę krzemu wyjętą z komputera lub telefonu komórkowego. Co sprawia, że ​​wydaje się on jeszcze bardziej nie na miejscu na blacie w laboratorium naukowym Uniwersytetu Cornell, otoczony szalkami Petriego, zlewkami i innym bio-bałaganem i umieszczony na plastikowej tacy jak rozcięta mysz. Wygląda na to, że chip znajduje się na czymś w rodzaju systemu podtrzymywania życia, a różowawy płyn pompuje do niego rurkami. Shuler metodycznie wskazuje ołówkiem składniki chipa: tu jest wątroba, tu płuca, tu gruby. Następnie wstrzykuje eksperymentalny lek do imitacji krwi przepływającej przez te narządy i tkanki — w rzeczywistości maleńkie labirynty skręconych rur i komór wyłożonych żywymi komórkami. Związek będzie reagował z innymi chemikaliami, gromadził się w niektórych narządach i szybko przechodził przez inne. Po kilku godzinach Shuler i jego zespół będą bliżej odpowiedzi na kluczowe pytanie: czy związek podany prawdziwemu człowiekowi może wyrządzić więcej szkody niż pożytku?

To tak zwane zwierzę na chipie zostało zaprojektowane, aby pomóc przezwyciężyć ogromną przeszkodę w odkrywaniu nowych leków: obecnie nie ma szybkiego, niezawodnego sposobu przewidzenia, czy eksperymentalny związek będzie miał toksyczne skutki uboczne – czy wywoła u ludzi choroby zamiast powodować je dobrze. Testy na zwierzętach to najlepsze, co mogą zrobić producenci leków, ale są powolne, drogie, często niedokładne i dla wielu budzące zastrzeżenia. Aby zminimalizować liczbę testów na zwierzętach, firmy farmaceutyczne rutynowo przesiewają kandydatów na leki przy użyciu kultur komórkowych - zasadniczo skupisk żywych komórek ludzkich lub zwierzęcych rosnących na szalkach Petriego lub probówkach. Podejście to jest stosunkowo tanie i łatwe, ale daje jedynie mglistą prognozę tego, co stanie się ze związkiem podczas okrężnej podróży przez tkanki i organy zwierzęcia.

Ta historia była częścią naszego numeru z czerwca 2004 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Shuler jest jednym z nielicznych badaczy, którzy opracowują bardziej wyrafinowane kultury komórkowe, które symulują złożone narządy i tkanki organizmu. Na przykład inżynier tkanek MIT Linda Griffith zbudowała chip, który naśladuje niektóre funkcje wątroby, podczas gdy Shuichi Takayama, inżynier biomedyczny z University of Michigan, zbudował taki, który imituje zachowanie układu naczyniowego (patrz Inne wysiłki związane ze zwierzęciem na chipie poniżej). Ale chociaż takie wysiłki zaowocowały przekonującymi analogiami części ludzkiego lub zwierzęcego ciała, Shuler poszedł o krok dalej. Współpracując z kolegą Gregiem Baxterem, który uruchomił firmę Hurel z Beverly Hills w Kalifornii, aby skomercjalizować tę technologię, Shuler połączył repliki wielu organów zwierzęcych na jednym chipie, tworząc surowe zastępstwo dla całego ssaka. Inne wersje chipów Shulera próbują pójść jeszcze dalej, wykorzystując ludzkie komórki do wierniejszego odtworzenia działania związku w organizmie.

Firmy farmaceutyczne są zainteresowane i nic dziwnego: rutynowo produkują tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy związków w nadziei znalezienia takiego, który jest skuteczny przeciwko określonemu celowi. Chipy, takie jak Shuler i Baxter, mogą oznaczać tani, szybki i dokładny sposób na wyeliminowanie związków, które ostatecznie okażą się toksyczne, oszczędzając firmom lata i miliony dolarów na opracowywaniu bezwartościowych leków. Według niedawnego badania przeprowadzonego przez Centrum Studiów Rozwoju Leków Uniwersytetu Tufts, na każdy lek, który trafi na rynek, przemysł farmaceutyczny wydaje średnio 467 milionów dolarów na testy na ludziach – zdecydowana większość pieniędzy trafia na leki, które zawodzą, albo z powodu nie są skuteczne lub są toksyczne. Gdyby można było zidentyfikować więcej niepowodzeń przed rozpoczęciem testów na zwierzętach, firmy mogłyby poświęcić więcej czasu i pieniędzy na zwycięzców. Wszyscy w branży mają nadzieję, że będą mieć substytuty zwierząt i ludzi, jeśli chodzi o testowanie związków, mówi Jack Reynolds, szef nauk o bezpieczeństwie w Pfizer, największej na świecie firmie farmaceutycznej. To jest rodzaj technologii, którą chcielibyśmy mieć w naszym zestawie narzędzi.

INNE WYSIŁKI ZWIERZĄT NA CHIPIE
Lider Projektu	Grupa	Technologia
Świt Applegate	RegeneMed (San Diego, Kalifornia)	Chipsy wyłożone ludzką tkanką wątroby do badań przesiewowych leków
Linda Griffith	Z (Cambridge, MA)	Wątroba na chipie do badań przesiewowych leków
Paul Kosnik	Geneza tkanki (Honolulu, HI)	Chipy z komórkami naczyniowymi i więzadłowymi do rozwoju wymiany tkanek
Shuichi Takayama	Uniwersytet Michigan (Ann Arbor, MI)	Chipy do hodowli komórkowych z kanałami naśladującymi układ naczyniowy
William Wang	Farmacja (miasto Iowa, IA)	Chipy do badań przesiewowych leków, które będą zawierać komórki z mózgu i innych narządów

Trujące pigułki

Skrzynki narzędziowe twórców leków są już wyposażone w szereg prostych testów hodowli komórkowych, których celem jest szybkie przewidzenie, które leki będą miały toksyczne skutki uboczne. Problem z tymi testami polega na tym, że często zbyt prosty. Typowy scenariusz: naukowcy wstrzykują roztwór zawierający eksperymentalny lek na szalki Petriego, na których żywe komórki pobrane z płuc szczura pływają w bogatym w składniki odżywcze bulionie. Jeśli komórki umrą, naukowcy umieszczają związek i próbują innego; jeśli komórki przeżyją, rozpoczynają długi i kosztowny proces testowania związku na myszach, szczurach i innych zwierzętach. Ale niezdolność związku do zabijania komórek płucnych daje niewielkie zabezpieczenie, że nie spowoduje choroby u ludzi.

Kiedy osoba zażywa lek, jego aktywny składnik udaje się na szaloną przejażdżkę, aby dostać się do komórek docelowych: może zostać wchłonięty przez jelita, rozłożony przez enzymy w wątrobie, gromadzony przez tygodnie przez komórki tłuszczowe, przesiewany przez mózg membranę i wirował przez całą tę mękę raz za razem przez krew. Kiedy tak się dzieje, nieszkodliwy związek może gromadzić się w danym narządzie, aż osiągnie poziom toksyczny. Lub może zostać przekształcony w zupełnie inny związek, który sam w sobie jest toksyczny. Reynolds z firmy Pfizer szacuje, że spośród kandydatów na leki, które okazują się niebezpieczne, około 40% nabywa toksyczność po przekształceniu w inne związki w organizmie.

Jednym z powodów, dla których konwencjonalne testy kultur komórkowych często wprowadzają badaczy w błąd, jest to, że nie prezentują one złożonego naparu enzymów i innych substancji chemicznych, z którymi lek może się spotkać i z którym może wchodzić w reakcje w różnych tkankach organizmu. A proste kultury komórkowe nie ujawniają, ile leku faktycznie dostaje się do różnych typów komórek, w jakiej formie i na jak długo. Rzeczywiście, prawie połowa leków, które wydają się bezpieczne w testach na kulturach komórkowych, okazuje się toksycznych w testach na zwierzętach; a jeszcze bardziej zawodzą, gdy napotykają złożone tkanki i narządy człowieka. Naukowcy mają jednak nadzieję, że kultury komórkowe, które lepiej symulują warunki w organizmie, będą znacznie lepiej sprawdzać się w wykrywaniu toksycznych leków, zmniejszając zależność od testów na zwierzętach i ludziach. Świętym Graalem branży jest możliwość przewidywania toksyczności na podstawie hodowli komórkowej, mówi Peter Lord, szef toksykologii mechanistycznej w rozwoju przedklinicznym w Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.

Mała hydraulika

Michael Shuler jest 57-letnim, chudym profesorem inżynierii chemicznej, który od gimnazjum interesuje się procesami biologicznymi. W 1989 roku zainteresował się testowaniem toksyczności i zastanawiał się nad zawodnością konwencjonalnych kultur komórkowych, gdy wpadł mu do głowy pomysł: czy mógłbyś stworzyć kulturę komórkową, która odtwarzałaby podróż przez różne narządy? Rozpoznał to jako problem inżynierii chemicznej: szklane komory wyłożone różnymi rodzajami komórek i połączone rurkami ze sobą oraz z pompą, która przesyłała przez nie płyn, znacznie bardziej realistycznie symulowałyby ciało, a testy z ich wykorzystaniem mogłyby przewidzieć, co się stanie w żywych zwierzętach znacznie dokładniej.

Po kilku miesiącach Shuler i studenci zbudowali konglomerat komórek i instalacji wodociągowych na stole, dostarczając prymitywnego modelu roboczego zestawu organów ssaków. W pewnym sensie funkcjonował, ale Shuler wiedział, że jest duży problem z jego wiernością: prawie cała chemia w ciele zachodzi w tkankach wypełnionych maleńkimi kanałami i komorami, w których krytyczne reakcje zależą od zdolności różnych substancji chemicznych do koncentracji w niektórych miejscami i rozproszone w innych, w zależności częściowo od geografii mikroskopowej. Mieszanie wszystkiego w wielkich zlewkach zaburzyłoby tę delikatną równowagę. Ponadto przy tym rozmiarze system nie byłby wystarczająco praktyczny ani tani do testów na dużą skalę.

Tymczasem biolog molekularny Greg Baxter właśnie dołączył do Centrum Nanobiotechnologii Cornella jako naukowiec. Jego specjalnością była mikrofluidyka — w zasadzie mikroskopijna instalacja hydrauliczna na chipie. Drugiego dnia zaszył Shulera w swoim laboratorium, zastanawiając się, czy ma jakieś projekty, które mogłyby skorzystać na ultraminiaturyzacji. Zabawne, że powinieneś zapytać, powiedział Shuler.

Zaledwie dwa spotkania zajęły wypracowanie podstawowego projektu chipa i rok, aby wyprodukować pierwszy prototyp. Aby zbudować jedno z urządzeń, naukowcy wyrzeźbili drobne rowy, które wyglądają jak delikatne rysy, w krzemowym chipie wielkości miniatury; te rowy służą jako rury do transportu płynów. Wytwarzanie na chipach cech mikroprzepływowych do badania reakcji chemicznych i imitowania procesów biologicznych nie jest nowością. Ale łącząc swoje umiejętności w zakresie inżynierii chemicznej i mikroprodukcji, Shuler i Baxter dodają znaczący zwrot: zaprojektowali rozmiary, długości i układ wszystkich rowów, próbując ściśle powielić przepływy płynów i narażenia chemiczne, których doświadczają komórki prawdziwe organy.

Rowy działają jak zastępcze naczynia krwionośne, przenosząc chemikalia wewnątrz i między organami zastępczymi chipa, które same składają się z rowów ciasno zwiniętych w spiralę lub wężowych w gęste skrzepy o szerokości około pół centymetra. Tysiące żywych komórek są przymocowane do dna rowów każdego organu. Zewnętrzna pompa wielkości cegiełki krąży w płynie bogatym w składniki odżywcze, zastępującym krew przez chip. Gdy badany związek zostanie dodany do płynu, jego podróż przez krzem jest z grubsza analogiczna do tego, co musiałby przejść u żywego ssaka, dzięki 13 latom manipulowania rozmiarami, wzorami i połączeniami każdego narządu, a także rozmiarami i kształtami różne okopy. Chcieliśmy, aby środowisko komórek było jak najbardziej realistyczne, od dostarczania składników odżywczych i usuwania produktów odpadowych po naprężenia mechaniczne, których doświadcza, mówi Shuler.

Po kilkugodzinnym krążeniu badanego związku przez chip, komórki w chipie są monitorowane za pomocą mikroskopu lub wbudowanych czujników, które mogą testować zawartość tlenu i inne wskaźniki. Czy komórki wchłaniają związek? Czy to ich choruje czy zabija? Jak w prawdziwym zwierzęciu, każdy organ lub tkanka odgrywa w chipie określoną rolę. Na przykład wątroba i jelita rozkładają niektóre związki na mniejsze cząsteczki, podczas gdy tłuszcz jest zapchany nie tylko komórkami, ale także gąbczastym żelem, często zatrzymuje związki, umożliwiając im później wyciek. Docelowy narząd lub tkanka jest zwykle dołączana, aby zademonstrować ostateczne działanie związku; może to być guz nowotworowy lub szczególnie wrażliwa tkanka, taka jak płuco lub szpik kostny.

Chipy będą oczywiście musiały zostać gruntownie przetestowane, zanim firmy farmaceutyczne będą je powszechnie stosować. Mimo to wczesne sygnały są zachęcające. Shuler przeprowadził jeden eksperyment z naftalenem, związkiem używanym w kulkach na mole i pestycydach. Nadmierna ekspozycja powoduje uszkodzenie płuc, ale nie poznasz tego ze standardowych testów kultur komórkowych. To dlatego, że winowajcą nie jest sam naftalen, ale raczej dwie substancje chemiczne wytwarzane przez wątrobę podczas rozkładania naftalenu. Gdybyś o tym wiedział i spryskał te produkty uboczne bezpośrednio na komórki płuc w kulturze, zaobserwowałbyś tak ostrą reakcję, że można by dojść do wniosku, że nawet niewielka ekspozycja na naftalen jest niezwykle niebezpieczna. Ale to też jest złe; jak się okazuje, komórki tłuszczowe wysysają większość toksycznych związków z organizmu. Chip Shulera w przekonujący sposób naśladuje ten łańcuch zdarzeń, dając realistyczną miarę obrażeń.

Tak dokładna symulacja może pomóc firmom farmaceutycznym w udoskonaleniu badań przesiewowych kandydatów na leki – i marnować mniej czasu i pieniędzy na te, które ostatecznie nie przejdą testów na zwierzętach. Według Baxtera układy są już gotowe do takiego zastosowania, a sześć dużych firm rozmawia obecnie z Hurelem na temat przyjęcia tej technologii. Shuler, wspomagany przez zespół studentów i współpracowników w Cornell i innych miejscach, pracuje nad dalszym zmniejszaniem i automatyzacją technologii. Cel: bank 96 chipów wielkości kartki papieru, który można podłączyć do zrobotyzowanego laboratorium, które bardzo szybko dodaje badane leki i monitoruje wyniki. System mógłby nie tylko zastąpić konwencjonalne kultury komórkowe, ale także zmniejszyć zależność od eksperymentów na zwierzętach, w których naukowcy muszą wykorzystywać dużą liczbę zwierząt do testowania różnych dawek leku i muszą monitorować te zwierzęta w czasie, aby wykryć subtelne skutki uboczne. Mówimy o przeprowadzeniu testu w ciągu jednego lub dwóch dni, który na zwierzętach zająłby miesiące, mówi Shuler. Shuler przewiduje, że cena produkcji jednego chipa wraz z ogniwami wynosi około 50 dolarów, w porównaniu do setek, a nawet tysięcy dolarów potrzebnych do pozyskania i utrzymania jednego zwierzęcia laboratoryjnego.

Rodzaj człowieka

Chipy, które naśladują funkcjonowanie zwierząt, będą prawdopodobnie pierwszymi wersjami technologii, które wywrą wpływ komercyjny. Istnieje jednak nadzieja, że ​​gdy te okażą się dokładnie przewidywać wyniki testów na zwierzętach, wersje „człowiek na chipie” będą dobrym wskaźnikiem tego, jak toksyczny lek prawdopodobnie okaże się w badaniach na ludziach.

Testy na zwierzętach odgrywają teraz tę rolę, ale niezbyt dobrze. Cztery z pięciu leków, które przeszły testy na zwierzętach, kończą się niepowodzeniem w badaniach klinicznych na ludziach, zwykle ze względów bezpieczeństwa. Częścią problemu jest to, że myszy nie mogą powiedzieć, że mają bóle głowy, niewyraźne widzenie lub skurcze żołądka. Ale większym problemem jest po prostu to, że narządy zwierząt i procesy, które w nich zachodzą, nie są identyczne z ludzkimi. Nikt nie wie, ile leków, które byłyby bezpieczne dla ludzi, zostało odłożonych na półkę, ponieważ zachorowały niektóre zwierzęta. (Na przykład penicylina jest toksyczna dla świnek morskich, ale na szczęście została również przetestowana na myszach).

Chipy zawierające symulowane ludzkie tkanki i narządy mogą również pozwolić naukowcom na opracowanie skomplikowanych schematów wielolekowych do leczenia różnych chorób bez narażania pacjentów na męczące rundy prób i błędów. Na przykład Shuler sięga po koktajle przeciwnowotworowe. Wprowadza do swoich chipów ludzkie komórki z guzów macicy lub okrężnicy, tworząc bardziej realistyczny model konkretnego typu nowotworu. Następnie może przetestować zdolność różnych kombinacji leków chemioterapeutycznych do zabijania komórek bez zarażania reszty systemu. Aby znaleźć dobre terapie skojarzone, trzeba przeprowadzić wiele testów, aby określić odpowiednie dawki i kolejność podawania leków – wyjaśnia. Jest to rodzaj problemu, który możemy rozwiązać dzięki tej technologii.

Ani Baxter, ani Shuler nie twierdzą, że zwierzę na chipie jest jakimś panaceum na złożony i głęboko wymagający proces opracowywania leków. Po pierwsze, chipy wciąż muszą udowodnić w testach na dużą skalę, że naprawdę wykonują lepszą pracę niż konwencjonalne hodowle komórkowe przewidujące toksyczność. Ale jeśli się osiągną, pigułki, które weźmiesz za dziesięć lat, mogą równie dobrze dotrzeć dzięki poświęceniu silikonowego szczura laboratoryjnego.

ukryć