Lustiniai organai: nauja era kuriant modernius ir kur kas patikimesnius vaistus

Neseniai kiek šiauriau Londono atidarytoje laboratorijoje vyksta eksperimentas, kuriuo siekiama nustatyti, kaip kepenys reaguos į naujus vaistus. Paprastai toks bandymas būtų atliekamas su tuntais lėkštelėse augančių kepenų ląstelių kultūrų, arba – kaip reguliatoriai reikalauja prieš patvirtindami vaistų klinikinius tyrimus – su gyvūnais, pavyzdžiui, žiurkėmis ar šunimis. Bet šiame eksperimente naudojamas mažas, maždaug išmaniojo telefono dydžio, prietaisas. Jame yra miniatiūrinės kepenys, sudarytos iš žmogaus ląstelių ir žadančios pateikti patikimesnius rezultatus. Tai viena iš pirmųjų komercinių versijų to, ką bioinžinieriai vadina lustiniais organais (LO).

Kepenų lustą Quantum-B pagamino CN Bio, Oxfordo universiteto dukterinė firma, dabar įsikūrusi Welwyn Garden mieste. Quantum-B turi padėti tyrėjams rasti vaistus nuo hepatito B, virusinės kepenų infekcijos. Tarp kitų miniatiūrinius organus kuriančios grupių iš Amerikos pažymėtinas Harvardo universiteto Wyss institutas, kuriantis plaučius luste (pav. aukščiau), ir Kalifornijos universitetas Berkeley'yje, sukūręs širdį luste. Taip pat kuriami lustai, atstojantys inkstus, žarnyną, raumenis, riebalus, kaulus ir odą.

Reguliuotojų tikrinami, tokie prietaisai gali sumažinti laboratorinių gyvūnų poreikį vaistų bandymuose. Gyvūnai nebūtinai yra geriausi žmonių analogai dėl fundamentalių biologinių skirtumų. Bandymai su audiniais lėkštelėse irgi gali būti nepatikimi, nes jų ląstelės dažnai nustoja veikusios. Realistiškesni LO duomenys galėtų paspartinti kūrimą ir atlikti eksperimentus, pernelyg rizikingus savanoriams.

Be to, sujungę skirtingus lustus, tyrėjai gali aiškintis, kaip reakcijos viename organe veikia kitus. Pavyzdžiui, vaistą, teigiamai veikiantį širdies ligos gydymą, kepenys gali metabolizuoti į turintį toksišką poveikį. Iš tiesų, turėdami pakankamai LO, mokslininkai tikisi vieną dieną sukurti kūno lustinį atitikmenį.

Organų paieška

Dauguma LO pagaminti iš sintetinių medžiagų, pavyzdžiui, polimerų. Jie gal būti skaidrūs, tad galima stebėti ląsteles mikroskopu. (Kai kurie gaminami litografiniu procesu, panašiu į naudojamą kompiuterio mikrolustų gamyboje – iš čia ir pavadinimas.) Lustuose yra mikrostruktūra, prie kurios pritvirtinamos žmogaus ląstelių kultūros. Tinkamomis sąlygomis, ląstelės pačios susitvarko, kaip kad darytų organizme ir ima atitinkamai elgtis. Vadinamoji mikrofluidinė technika naudojama kraują mėgdžiojančio skysčio varinėjimui kanalėliais ir vamzdeliais, taip palaikydama ląsteles.

Lustai neatkartoja viso organo, tik mažiausias kolonijas ląstelių, būtinų organo funkcionavimo atkartojimui. CN Bio kepenų luste, sukurtu, bendradarbiaujant su Linda Griffith ir jos kolegomis MIT, naudojami mažučiai „karkasai“ laikyti paaukotų, tačiau dėl kokių nors priežasčių netikusių transplantacijai, organų ląstelėms. Ląstelės gali būti laikomos užšaldytos, kol prisireikia.

Karkasai įdedami į mažas įdubas ir maitinami tinkamu skysčiu, tiekiamu kanalėliais. Po kelių dienų įkurtuvių, ląstelės pasirengusios darbui ir užkrečiamos hepatitu B. Kadangi ligos žmogiška forma gali būti atkurta tik su primatais, vos vienam eksperimentui reikėtų dešimčių šimpanzių. Tuo tarpu kiekviename kepenų luste yra po 12 mikroskopinių kepenų, tad juos galima naudoti keleto bandymų atlikimui vienu metu. Dabar kuriamas lusto su 36 kepenimis prototipas, sako Davidas Hughesas, CN Bio vyr. technologas.

Kompanija teiks technologijos licenziją kitoms laboratorijoms ir pateiks bandymus tyrėjams. Bazinis toksiškumo testas kainuoja maždaug 22 000$. Tai gali atrodyti brangu, tačiau, bet netgi paprasčiausias tyrimas su žiurkėmis gali trikti mėnesį ar ilgiau ir kainuoti virš 50 000$; sudėtingesnės analizės kaina gali viršyti ir milijoną dolerių. Būtent todėl tūkstančių medžiagų kandidatų atranka, vykdoma, prieš pateikiant naują vaistą rinkai, gali atsieiti ir milijardą.

Lustiniai organai vaistų bandymams yra tokie efektyvūs, nes ląstelių gyvavimui sukuria ne tik biocheminę, bet ir fizinę aplinką. Pavyzdžiui, lustinių kepenų atveju tai reiškia, kad galima tiksliai nustatyti dirbtinio kraujo tiekimą. Ankstesni tyrimai parodė, kad skysčių tekėjimas ląstelės paviršiumi gali paveikti jos gebėjimą funkcionuoti.

Kitoms ląstelėms gali prisireikti mechaninių veiksmų. Pavyzdžiui, Harvardo lustiniams plaučiams reikia „kvėpuoti“. Tad prietaisas sukonstruotas iš dviejų, išdėstytų vienas virš kito, mikrofluidinių kanalėlių lanksčioje plastikinėje medžiagoje. Kanalėlius skiria poringa membrana, viršuje išklota epitelio ląstelėmis, gautomis iš žmogaus plaučių alveolių, o apačia – kraujagyslių endotelio ląstelėmis. Viršutinis kanalas atneša orą prie membranos, o apatiniame yra į kraują panašus skystis. Kintamu vakuumu struktūra ištempia ir atpalaiduoja ląsteles, visai kaip asmens krūtinė kvėpuojant.

Lustinį plautį sukūrė šios srities pionieriumi laikomas Donaldas Ingberas su kolegomis iš Harvardo. Lustinį plautį, kurio dydis maždaug kaip USB atmintinės, komercializuoja Emulate kompanija. Bakterijoms pakliuvus į oro kanalą, įrenginys reaguoja taip pat, kaip reaguotų užkrėsti žmogaus plaučiai. Todėl gali būti tiriami uždegiminiai plaučių procesai ir skysčių kaupimasis.

Berkeley'io lustinėje širdyje yra centrinė kamera, kurioje drauge sudėtos širdies ląstelės, o mikrofluidiniai kanalai veikia kaip kraujagyslės. Berkeley'io tyrėjai, vadovaujami Kevino Healy'io ir Anurago Mathuro, sako, kad per 24 valandas po įdėjimo į kamerą, širdies ląstelės ima plakti pačios 55-80 tvinksnių per minutę dažniu. Maždaug po savaitės jis tampa pakankamai stabilus, kad būtų galima pradėti bandymus. Paveikti standartiniais širdies vaistais, lusto ląstelės reaguoja taip pat, kaip ir viso dydžio žmogaus širdis, sako tyrėjai.

Berkeley'io ir Emulate tyrėjai naudoja žmogaus indukuotas pluripotencines kamienines ląsteles, tai yra, suaugusios kamieninės ląstelės kurias galima grąžinti į jų embrioninį būvį ir tada paskatinti vystytis į daugelį skirtingų audinių.Kamieninių ląstelių naudojimas lustuose padidina galimybę sukurti įtaisą, atstovaujantį atskirą pacientą – lustinį pacientą, jei norite. Šiuo atveju visi mažutėliai organai būtų sukurti iš vieno asmens: įrenginiu būtų galima patikrinti ir atrinkti pacientui geriausiai tinkamas vaistų kombinacijas ir dozes.

Kol kas tyrėjai stengiasi priversti luste veikti vos keletą skirtingų organų. Bet DARPA, JAV Gynybos departamento tyrimų agentūra, siekia lustiniame kūne sutalpinti dešimtį organų. Kariuomenė tuo domisi, siekdama turėti priemonių branduolinių ir biologinių incidentų gydymui. Tokius vaistus bandyti su žmonėmis neįmanoma. DARPA ir Amerikos Nacionalinis sveikatos institutas skiria 32 milijonus dolerių lustinio kūno kūrimui MIT, drauge su kitomis tyrėjų grupėmis, ir 37 milijonus panašiam projektui Harvardo Wyss institute.

Naujo kraujo paieška

Daktaro Ingbero ir Sangeeta Bhatia iš MIT Kocho instituto pernai Nature Biotechnology pateiktoje šios technologijos apžvalgoje, dar reikės įveikti daug kliūčių. Plastiką iš kurio gaminami kai kurie lustai, reikia patobulinti, kadangi jis gali absorbuoti kai kurias medžiagas, taip pat ir vaistus, ir taip iškreipti testų rezultatus. Sujungtiems organams reikės „universalaus kraujo pakaitalo“. Tai turėtų būti vienalytė aplinka, galinti palaikyti visus audinius, kaip kad kraujas.

Lustiniai organai turės būti gaminami masiškai. Bendradarbiaudama su Sony BioSciences tyrėjais Austrijoje, Emulate sakė radusi medžiagą, neturinčią absorbcijos problemos ir iš jos būtų galima gaminti milijonus lustų. Kokia tai medžiaga, lieka griežtai saugoma paslaptimi. Emulate taip pat teigia galinti automatizuoti operacijas su savo lustais taip, kad jais galėtų naudotis ir ne specialistai.

Dar gali praeiti dešimtmetis ar daugiau, kol lustiniai organai smarkiai sumažins gyvūnų naudojimą laboratorijose. O kai kurių biomedicininių tyrimų išvis neitų modeliuoti lustuose – tarkime, sudėtingų imuninių kūno reakcijų, ar vaistų poveikio nervų sistemai. Tačiau technologijai tobulėjant ir ją vis geriau suprantant, konservatyvieji reguliuotojai turėtų įgyti pakankamą p[asitikėjimą naująja technologija, kad imtų pakeisti kai kuriuos būtinus bandymus su gyvūnais bandymais su lustiniais organais.

www.economist.com