Наукові дослідження в XXI столітті без використання тварин

Моделювання захворювань за допомогою органоїдної технології

Оганоїди відносять до тривимірних органоподібних структур, що включають різні типи клітин, організованих у фізіологічній архітектурі. Міні-органи людини найчастіше мають розміри близько півміліметра, характеризуються загальними функціональними особливостями нативного органу, зберігають фенотипні та генетичні особливості донора. Відповідно, культивуються вони з клітин, одержаних від здорової людини або пацієнта з певним захворюванням.

Запропонована стратегія дозволяє створити революційну концепцію моделей захворювань для проведення експериментальних досліджень у галузі біомедицини.

Міні-мозок отримують від людей, які страждають на хворобу Альцгеймера або Паркінсона. Органоїди підшлункової залози – від хворих на діабет, кишківника – від пацієнтів з хронічними захворюваннями цього органу. Тривимірні моделі легень надходять від курців, осіб із хронічною обструктивною хворобою легень чи астмою. Переоцінити значущість цієї моделі, яка застосовується вже протягом десятиліття, для біомедичної системи складно.

В органоїдах мозку, отриманих з ІПЗК людини, можна розвивати пухлини головного мозку, якщо додати в них клітини від хворого на рак мозку людини. Органоїди від пацієнтів із генетичним захворюванням зберігають генетичні мутації in vitro. Виправлення наявної мутації за допомогою методів генної інженерії, наприклад CRISPR/Cas9, призводить до відновлення нормального функціонування органоїду.

Так, кишкові органоїди від здорового донора набухають під час лікування речовиною під назвою цАМФ. Функціональний білок, який опосередковує цей ефект, відсутній у пацієнтів із муковісцидозом. В органоїдах, отриманих від даних пацієнтів, в експерименті не спостерігалося викликаного цАМФ набряку in vitro, хоча генетична корекція мутації відновила правильний відгук.

Персоналізовані лікарські препарати сьогодні вже доступні для хворих на рак. Органоїди вирощуються після біопсії пухлини, і на цих так званих мікропрепаратах тестуються медикаменти, щоб визначити найефективніший спосіб лікування конкретного пацієнта.

Подібні технології дають цінні відомості про особливості хвороби людини, дозволяють ефективно досліджувати молекулярні механізми, що лежать в основі, і успішно розробляти терапевтичну тактику.  

Визнання провалу часів експериментів на тваринах 

З недавнього часу експерти з вчених спільнот та практичної медицини дедалі частіше стали критикувати експерименти на тваринах для моделювання хвороб. Абсолютно точно, що ці моделі погано відбивають всі процеси, які є у людському організмі, наприклад, при хворобі Альцгеймера, цукровому діабеті, раку. 

Багато тваринних моделей людських захворювань, включаючи рак і хворобу Альцгеймера, генеруються за допомогою генної інженерії. Певні гени, які відповідають за дані захворювання, на думку вчених, вставляються в геном мишей, щурів та інших піддослідних тварин. Замість того, щоб ефективним чином розуміти хворобу і покращувати здоров'я хворої людини, подібна дослідницька стратегія дає величезну кількість хибно позитивних і хибно негативних результатів. 

Протягом останніх десятиліть публікувалося чимало статей, у яких вказувалося, що злоякісне новоутворення, діабет та інша патологія успішно переможені на піддослідних тваринах. Незважаючи на всі існуючі історії благополучного лікування, людство залишається далеким від чіткого розуміння механізму поширених недуг та ефективних способів їх лікування. 

Людина-на-чіпі

Органоїди людини та інші тривимірні моделі культивування клітин є найбільш перспективними та об'єктивними підходами з усіх наявних у цей час. У поєднанні з технологією "орган на чіпі" формується надійна система, що дозволяє всебічно вивчати проблеми, пов'язані зі здоров'ям людини.

Орган на чіпі, багатоорганний чіп або мікрофізіологічна система, є сукупністю, що включає до 10 органоїдів з биочипом. Модель підключена до мікроперфузійної системи, що імітує кров та сечовидільні шляхи. 

Розташовані на чіпі органи активні і взаємодіють один з одним через ланцюги, що моделюються. Для тестування лікарських препаратів або проведення токсикологічних досліджень компоненти, що тестуються, можуть доставлятися у всі органи чіпа за допомогою перфузійної системи.

Мікронасос, що регулює швидкість потоку, а також елементи, що регулюють pH, подачу кисню та інші життєво важливі параметри, можуть вбудовуватися до складу мікросхеми. Фізіологічні ефекти лікарського препарату або комбінація медикаментів вивчається шляхом докладного аналізу органоїдів, поміщених на чіп, а також шляхом відбору експериментальних зразків із змодельованих сечовивідних шляхів та крові.  

Орган на чіпі для промислових та нормативних цілей

Система «орган на чіпі» відрізняється численними перевагами порівняно з експериментами на тваринах. Крім високого ступеня достовірності результатів експериментів, технологія пропонує високопродуктивний скринінг. Це економічніше з погляду витрат і часу та високо цінується фармакологічної промисловістю. 

Крім того, тестування потенційних кандидатів на лікарські препарати через цю систему потребує значно меншої кількості речовини. Виробництво нових сполук у фармакологічній промисловості вважається основною статтею витрат розробки медикаментів.

Завдяки всім описаним перевагам ціла низка великих фармацевтичних компаній підтримує розробку моделей органоїдів та «орган на чіпі». Робляться серйозні фінансові вкладення, налагоджується співпраця з відомими у світі дослідницькими інститутами.

Ступінь безпеки людства завжди стоїть на першому місці, коли оцінюються нові харчові сполуки, лікарські препарати та інші товари зі споживчого кошика. Протягом багатьох років Управління санітарного нагляду за якістю харчових продуктів і медикаментів США впроваджувало в життя різні проекти для дослідження моделей людських органоїдів і систем «орган на чіпі».

У Євросоюзі експерименти на тваринах були заборонені під час проведення тестування косметичних препаратів. Продаж подібних товарів було заборонено в ЄС із 2014 року.

Європейський центр валідизації альтернативних методів відповідає за оцінку in vitro методів оцінки нормативного ризику. Агентство вже схвалило кілька тривимірних моделей тканин людини з метою регулювання та на регулярній основі займається оцінкою нових систем in vitro для повної заміни in vivo випробувань на тваринах. 3D-моделі шкіри, легенів та рогівки людини сьогоднівже є у продажу. Проведені їх дослідження на предмет безпеки.

Дані тканинні культури генеруються з первинних клітин організму і дуже правдоподібно імітують нативний епітелій людського тіла. Моделі шкіри можуть мати різну кількість меланоцитів, що становлять різні етнічні групи. Моделі легень отримані з кількох відділів дихальної системи людини, наприклад, бронхів, альвеолярного відростка.

Технологія 3D біодруку дозволяє точно та швидко генерувати подібні моделі тканин людини. Штучні шкіряні еквіваленти людей можуть бути надруковані з приголомшливою точністю, з урахуванням васкуляризації, розташування волосяних фолікулів та потових залоз.

Поки в Німеччині ще не збираються відмовлятися від дослідів на тваринах, багато інших країн поступово схиляються до напряму, який унеможливлює їх використання для проведення експериментів.

Інноваційні технології дедалі більше захоплюють науковців. Так, у Нідерландах дослідження за участю тварин для нормативної оцінки безпеки хімічних речовин, харчових добавок, лікарських препаратів мають бути припинені до 2025 року. Натомість почнуть застосовувати дослідницькі моделі, засновані на людях, які забезпечать високий ступінь надійності та безпеки.

Хоча системи "орган на чіпі" дуже близькі до фізіології людини, багато дослідників досі підтримують експерименти на тваринах, мотивуючи це необхідністю вивчення деяких ефектів ліків у цілісному організмі.

Основний аргумент - відсутність судинної та імунної системи. Сьогодні вже існують моделі із включенням імунних клітин та інтеграцією судинної системи. Комплексна імунна система на чіпі, що має різні імунні клітини та кровоносні судини, вже розроблена і навіть доставлена до лабораторії на МКС у рамках проекту НАСА.

Інші моделі, наприклад, нейронна система або гематоенцефалічний бар'єр на чіпі, теж вирушать на МКС, де шукатимуться відповіді на складні наукові питання, пов'язані зі здоров'ям людини. 

Тенденція до досліджень без тварин

Проведення наукових досліджень без тварин – цілком реальна перспектива найближчого часу. Моделі органоїдів, орган на чіпі можна комбінувати з підходами in silico. Тобто, за участю складних комп'ютерних моделей, що дозволяють точно передбачити процеси ADME у токсикологічних дослідженнях.