Биореакторы и криотехнологии улучшают тестирование лекарств на культурах человеческих клеток
Многие перспективные лекарственные кандидаты терпят неудачу из-за серьезных побочных эффектов в клинических испытаниях, несмотря на успешные лабораторные тесты на клеточных культурах. Это часто происходит, если используются клетки животного происхождения.
Специально подготовленные культуры клеток из человеческой ткани — человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые (hiPS) клетки — обеспечивают более надежное тестирование, повышая шансы на одобрение препарата.
Исследователи Fraunhofer разработали инновационные решения для оптимизированного производства клеток в биореакторах и уникальные криотехнологии. Это открывает путь для эффективного практического использования этих клеточных культур в токсикологических тестах и разработке лекарств.
Одной из ключевых причин проблемы является то, что кандидаты обычно тестируются на моделях in vitro с использованием клеток животных или на самих животных. Результаты таких тестов плохо переносятся на человека, что создает риск непредвиденных побочных эффектов у участников клинических испытаний.
hiPS-клетки получают из человеческой кожи или образца крови и подвергают специальной процедуре репрограммирования в лаборатории. После этого они становятся «плюрипотентными» — не запрограммированными на один тип ткани. Для тестирования лекарств их можно повторно дифференцировать практически в любой тип клеток человеческого тела, что значительно снижает риск побочных эффектов в последующих испытаниях на людях.
Биореакторы для масштабированного производства клеток
Клетки для тестов производятся в биореакторах. Команда под руководством доктора Юлии Нойбауер из Fraunhofer IBMT добилась значительного прогресса в размножении и дифференцировке hiPS-клеток в биореакторе.
«Впервые стало возможным масштабировать процесс для создания больших количеств функциональных клеток за короткое время», — говорит Нойбауер.
Задача ученых в рамках совместного проекта R2U-Tox-Assay заключалась в том, чтобы воспроизвести в биореакторе естественные условия человеческого тела для быстрого размножения клеток без потери функциональности.
«Мы разработали и произвели собственный эластичный гидрогель в качестве субстрата специально для биореактора. Клетки чувствуют себя там как дома и могут эффективно пролиферировать. Выбранные параметры позволяют производить количества, релевантные для медицинского тестирования — до нескольких миллиардов клеток», — объясняет Нойбауер.
Полученные таким образом клеточные модели, которые можно дифференцировать в ткани, такие как сердечная мышца, кожа или нейроны, затем используются в анализах для тестирования кандидатов в лекарства и определения их токсичности. Дополнительное преимущество — hiPS-клетки несут геномную информацию донора, что позволяет разрабатывать тесты для лечения заболеваний с генетическим компонентом.
Мгновенная заморозка в криотанке
Другая проблема — хранение и доступность клеточных культур. Fraunhofer IBMT применил многолетний опыт в криоконсервации клеток, разработав методы, не имеющие аналогов в мире.
С помощью жидкого азота клеточные модели, выращенные в биореакторе, охлаждаются с примерно +23°C до -196°C в течение двух секунд.
Исследователи также разработали специальную планшету для культивирования клеток, которую можно использовать для их выращивания и последующей заморозки. В сочетании с процессом быстрой заморозки специальные криозащитные среды препятствуют образованию кристаллов льда в клеточной ткани, которые повреждают материал. «Если вы когда-либо замораживали клубнику дома, вы знакомы с этим нежелательным эффектом», — говорит Нойбауер.
Команда разработала детальный протокол криоконсервации с параметрами, такими как скорость охлаждения и время действия криозащитных сред, для конкретных типов клеток. Эти методы гарантируют, что чувствительные культуры человеческих клеток сохранят полную функциональность после извлечения из криохранилища и оттаивания.
Стандартизированные планшеты позволяют практически без ограничений хранить и транспортировать клеточные культуры для высокопроизводительного скрининга в фармацевтических исследованиях. Больницы и фармацевтические лаборатории могут создавать запасы культур, чтобы всегда иметь нужные клетки для тестов на токсичность и лекарства.
Улучшенное тестирование кандидатов в новые препараты
Усовершенствованные концепции биореактора и криохранилища открывают путь для эффективного практического использования hiPS-клеток в медицинских исследованиях. Традиционные тесты in vitro на клетках животных и этически проблемные испытания на животных заменяются значительно более точными тестовыми системами.
«В целом, достижения проекта R2U-Tox-Assay позволяют более эффективно и безопасно разрабатывать лекарственные кандидаты для лечения ряда заболеваний, включая болезни сердца и глаз, и даже неврологические расстройства, такие как деменция», — заключает Нойбауер.