Радиоактивность может спасти жизнь. Когда против опухоли не помогают ни химиотерапия, ни хирургия, ни облучение извне, современная медицина использует так называемые радиофармацевтические препараты. Эти радиоактивные препараты не только обнаруживают раковые клетки, но и позволяют направленным облучением изнутри уничтожить опухоль.

Еще до того, как потенциально токсичные побочные эффекты нового лекарства становятся предметом интереса, наибольшее значение имеют характеристики связывания. Они говорят ученым, может ли новый препарат взаимодействовать с раковой клеткой-мишенью и насколько прочным является это взаимодействие. Поэтому исследования связывания проводятся для того, чтобы измерить силу связывания и количество препарата, которое связывается с клеткой-мишенью.

Однако прежде чем такие вещества станут доступными для использования на людях, в процессе их разработки необходимо провести обширные испытания на животных. Совместный проект Института Фраунгофера по материалам и пучковой технологии IWS в Дрездене и Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) в настоящее время исследует альтернативный метод. Основой для этого являются искусственные структуры органов и опухолей в формате чипов.

В первой публикации в журнале Current Directions in Biomedical Engineering исследователи из Fraunhofer IWS и HZDR подробно показывают, как это работает.

В 2021 году в Германии в исследовательских целях было использовано в общей сложности 1,86 миллиона позвоночных и головоногих моллюсков, согласно информации Федерального министерства продовольствия и сельского хозяйства. Хотя это на 2 процента меньше, чем в предыдущем году, это все равно очень большое количество. Животные, наиболее часто используемые в немецких лабораториях, - это мыши, рыбы и крысы.

"В настоящее время для решения многих исследовательских задач требуется помощь таких животных", - отмечает доктор Вибке Сихвер из отдела радионуклидной диагностики HZDR. Поэтому поиск альтернативных вариантов остается чрезвычайно важным, добавляет она. "Кроме того, в моделях на животных часто отсутствуют важные ссылки на человеческий организм".

В своей работе Сихвер и ее коллеги из HZDR занимаются разработкой и применением радиомеченых веществ для диагностики рака и, в частности, для терапии. Эти радиолиганды мечены радиоактивным нуклидом (радионуклидом) и связываются с молекулой-мишенью; в случае рака - со специфическими структурами-мишенями опухоли.

Таким образом, радиофармпрепарат воздействует непосредственно на опухоль. Окружающие здоровые ткани при этом не повреждаются. На сегодняшний день радиофармпрепараты, разработанные в HZDR, после определения in vitro должны быть испытаны на животных моделях, таких как мыши и крысы.

Несколько лет назад Сихвер искала замену многочисленным экспериментам на животных в радиофармацевтических исследованиях. Во время поиска альтернативных систем она быстро наткнулась на Fraunhofer IWS, где группа исследовала микрофизиологические системы, использующие культивируемые мини-организмы для имитации функционирования человеческого организма. Это стало отправной точкой для новой идеи.

Исследователи из Fraunhofer IWS работают над созданием мини-лабораторий уже более десяти лет. С помощью этих микрофизиологических систем в формате коробки для таблеток можно искусственно воспроизводить функции органов или даже процессы заболевания с помощью клеточных культур. Клапаны и каналы имитируют сосудистую систему, небольшой насос - сердцебиение.

Чипы изготовлены из пластиковых пленок, наложенных друг на друга. Кровеносные сосуды и камеры вырезаются в них лазером. В специальных модулях пользователи впоследствии выращивают культуры клеток, которые могут выживать в микрофлюидных системах до месяца. Тем временем в мини-лаборатории циркулирует кровь в виде питательной среды, которая снабжает клетки кислородом и питательными веществами. Еще несколько лет назад эта система позволяла представить только два органа.

Сегодня на этих новых мультиорганных чипах можно одновременно моделировать до четырех органов. Когда команда HZDR обратилась в Fraunhofer IWS, эксперты быстро распознали потенциал для нового применения.

"Мультиорганные чипы еще не использовались в разработке радиофармацевтических препаратов, поэтому существует большая потребность в них", - объясняет руководитель группы Флориан Шмидер, который уже много лет занимается исследованиями в области лабораторий на чипах в Fraunhofer IWS. Вместе два института успешно подали заявку на грант Федерального министерства образования и научных исследований Германии по теме "Альтернативные методы тестирования на животных". Это будет продолжаться до 2024 года, и они уже получили первые многообещающие результаты.

Совместная исследовательская работа направлена на создание трехмерных моделей опухолей на чипе, что впоследствии упростит и удешевит тестирование радиофармацевтических препаратов. Поэтому получение трехмерного клеточного агрегата - сфероида, который может имитировать опухолевую ткань - из двумерной клеточной культуры стало первой задачей. "Это позволяет нам интегрировать характеристики микроопухоли в нашу систему", - объясняет инженер-разработчик Стефан Беренс, Fraunhofer IWS.

В перспективе это представление на чипе должно становиться все более детальным, например, за счет использования клеток конкретного пациента или определения вновь открытых характерных белков на различных типах опухолевых клеток, которые могут быть обнаружены радиофармакологически. Первые испытания Сихвер и ее команды с мультиорганными чипами уже показали положительные результаты. Во-первых, они использовали известные вещества, свойства которых можно легко наблюдать на чипе.

"Мы увидели, что связывание с опухолевыми сфероидами уже работает", - описывает она. Они также планируют вывести на чипы модель почки и органоид печени. Почки, в частности, считаются дозолимитирующими и поэтому играют важную роль в радиофармацевтических исследованиях. "В разговорном смысле это означает, что если радиолиганд застрянет, это может привести к повреждению не только почек, но и клеток печени", - объясняет ученый.

Поэтому тестирование таких веществ с помощью клеточных культур на чипе является многообещающей альтернативой, говорит она. Если испытания в рамках проекта окажутся положительными, неизвестные радиолиганды также будут тестироваться в системах на более позднем этапе.

"Это позволит сэкономить большое количество экспериментов на животных", - говорит Сихвер. Хотя их исследование пока не может полностью исключить эксперименты на животных, исследователи работают над сокращением их числа. В результате новой разработки Флориан Шмидер видит много преимуществ для будущих пациентов. "Мы можем поместить специфические для пациента клетки на чип и таким образом смоделировать, как развивается рак".

С помощью этого метода можно было бы проводить индивидуальную терапию с учетом потребностей пациента. "Рак также образует специфические для опухоли антигены, которые не так хорошо представлены в животных моделях", - говорит исследовательская группа. Это должно быть осуществимо и на чипах".

Тесное сотрудничество между двумя исследовательскими институтами представляет собой яркий пример, иллюстрирующий дополнительные преимущества научного альянса DRESDEN-concept, в котором 36 партнеров объединили свои усилия для продвижения Дрездена как места проведения исследований и создания, а также использования синергии в области исследований и обучения, а также инфраструктуры и администрации.