18.10.2022
Команда ученых с участием представителей НИУ ВШЭ разработала микрофлюидный чип для оценки токсического воздействия лекарств на человека. Внедрение таких устройств поможет еще на стадии доклинических испытаний выявить и минимизировать побочные эффекты лекарств, а также сократить количество экспериментов на животных. Исследование опубликовано в журнале Bulletin of Experimental Biology and Medicine.
Разработка лекарств — процесс сложный и долгий и в среднем занимает более 10 лет. Сначала ученые проводят предварительные исследования, подбирают состав соединений, утверждают документацию, после чего переходят к доклиническим испытаниям, где изучают эффективность и безопасность лекарств. Особое внимание уделяют пролекарствам, которые изначально относительно нейтральны и активизируются только под воздействием ферментов организма. Важно отслеживать трансформацию этих пролекарств, выявлять побочные продукты, оценивать, безопасны ли они. Тесты обычно проводят на культурах клеток и лабораторных животных.
По статистике, только 2% препаратов после доклинических исследований готовы к выходу на рынок. Поэтому ученые стремятся разработать безопасные подходы к тестированию лекарств, а также сократить число испытаний на животных. Команда российских ученых с участием немецких коллег предложила новый метод доклинических тестов лекарств. Для этого они использовали микрофлюидный чип.
Чип состоит из клеточного блока, где культивируют (выращивают) различные типы клеток, и блока управления, где можно настроить давление и частоту подачи питательной среды, необходимой для поддержания нормального функционирования клеток. Такая конфигурация устройства обеспечивает циркуляцию питательной среды и позволяет проводить эксперименты в динамическом режиме, схожем с условиями в организме человека.
В исследовании использовали кератиноциты человека линии HaCaT (клетки эпидермиса) и сфероиды клеточной линии гепатомы (первичного рака печени) человека HepaRG.
Клеточные модели печени на основе сфероидов (3D-клеток) отличаются высоким межклеточным взаимодействием и активностью, характерными для печени человека. Поэтому для построения модели было выбрано именно формирование трехмерной культуры клеток гепатоцитов. В одном чипе культивировали только клетки эпидермиса, а в другом — совместно клетки печени и эпидермиса, а затем сравнивали результаты.
Пролекарства трансформируются в печени благодаря воздействию ферментов семейства цитохрома Р450. Ученые оценивали, при каких условиях трансформация лекарства в клетках печени проходит интенсивнее. Для этого подбирали соответствующий режим работы чипа. Далее исследовали токсичные эффекты пролекарства на примере циклофосфамида, который часто используют для лечения опухолей и о котором уже известно, что его метаболиты токсичны. Для поддержания жизнеспособности двух типов клеток в одном чипе ученые подготовили специальную бессывороточную среду.
Выяснилось, что в смешанной системе, где были клетки и печени, и эпидермиса, пролекарство в минимальной токсической концентрации приводило к более выраженной гибели клеток эпидермиса в сравнении со средой, где клеток печени не было. В клетках печени можно наглядно проследить процесс метаболизма, а значит, более точно оценить цитотоксичность лекарства для органа-мишени.
Эксперименты на клетках проводили в динамическом (с циркуляцией питательной среды) и статическом (без циркуляции) режимах. В динамических условиях вырабатывалось большее количество изоформ цитохрома Р450, эффективнее шла трансформация лекарства, наблюдался более выраженный результат его действия, чем в статическом режиме.
«Динамические условия подачи среды в чипе можно сравнить с притоком крови к органам и тканям. Поэтому благодаря непрерывной работе чипа воссоздаются условия, похожие на условия в организме человека, — поясняет автор статьи, заместитель декана факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ Ирина Кузнецова. — Мы предполагаем, что применение чипа позволит получать данные, приближенные к результатам тестов на реальных организмах».
Метаболизм лекарств у человека и у животных схож, но из-за особенностей ферментов результат трансформации лекарств в организме человека и животного может отличаться. Известны случаи, когда доклинические исследования на животных не выявляли сильных побочных эффектов, а на этапе клинических исследований они проявились и привели к осложнениям здоровья. Ученые предполагают, что использование чипа может снизить количество экспериментов на животных и сделать клинические исследования безопаснее для пациентов.
«В дальнейшем с помощью чипа можно отслеживать, какие формы цитохрома Р450 наиболее важны в процессе трансформации, проводить тесты с большим числом лекарственных препаратов, исследуя эффекты их совместного действия, вносить в систему другие типы клеток, а также анализировать не только активность самих лекарств, но и стабильность продуктов их метаболизма. Если мы научимся оптимально моделировать фармакокинетические и токсикологические свойства соединений in vitro (в пробирке) с помощью подобных микрофлюидных чипов, то сроки и затраты на проведение доклинических исследований ожидаемо сократятся», — комментирует один из авторов статьи, доцент кафедры «Инфокогнитивные технологии» Московского Политеха Наталья Пулькова.
Пресс-служба НИУ ВШЭ
Фото: dzen.ru
Нет комментариев