Тестирование лекарств на биоискусственных тканях

Тестирование лекарств на биоискусственных тканях
Работа над новыми способами лечения и диагностики заболеваний требует немалых ресурсов. Необходимо использовать надежные и эффективные методы, одним из которых является тканевая инженерия - реконструкция живых, функционально активных тканей и органов вне организма путем культивирования клеток на специальных субстратах - скаффолдах. Искусственно воссозданные ткани и органы могут замещать утраченные или необратимо поврежденные структуры тела человека или животных.
Скаффолды замещают и воспроизведят свойства внеклеточного матрикса (ВКМ) тканей, к которому прикрепляется клетки в любых тканях, за исключением крови. ВКМ сложно устроен, поэтому с точностью воспроизвести его затруднительно. Скаффолды получают из синтетических или натуральных веществ. Они имеют четко заданный состав и структуру, что является преимуществом для серийного ппроизводства и исследовательской деятельности. Однако клетки легко распознают подделку вместо настоящего ВКМ, что приводит к атаке иммунной системы, в результате этого имплантат разрушается или изолируется соединительнотканной капсулой. Низкая иммуногенность в сочетании со способностью скаффолдов поддерживать прикрепление и рост нужных клеток называется биосовместимостью.
Есть альтернативный подход к получению скаффолдов, когда используют естественный ВКМ, извлеченный из тканей организма и сохраненный в максимально натуральном виде. Главное преимущество - очень высокая биосовместимость. Такие скаффолды хорошо поддерживают рост клеток и приживаются на месте имплантации, стимулируют рост сосудов и задают направление специализации клеток для регенерации нужной ткани.
В результате последних исследований выяснилось, что такие ткани, в отличие от донорских, можно довольно долго поддерживать в жизнеспособном состоянии вне организма. Стало возможным создание не только здоровых, но и больных тканей (опухолей и др.). Также с их помощью возможно изучение развития и регенерации органов и механизмов заболеваний.
Тканеинженерные технологии можно использовать для тестирования лекарственных препаратов, медицинских наночастиц и биоматериалов. Это позволит сократить потребность в исследованиях на животных и обеспечить более точные результаты. Большое количество потенциальных лекарств против рака после положительных результатов на доклиническом этапе тестирования проваливаются при исследованиях на животных. Лекарства оказываются неэффективными или высоко токсичными. Это обусловлено тем, что клетки в монослойной культуре более чувствительны, чем в организме животных. Также животные могут реагировать на лп иначе, чем люди. Поэтому необходим промежуточный этап испытаний. С этим могут помочь технологии тканевой инженерии.
Наиболее известная технология - тестирование на трехмерных культурах клеток и на микрофлюидных устройствах, которые называются «органы на чипах». Тканеинженерные конструкции на скаффолдах являются наиболее биологически точными, сложными и продвинутыми 3D-культурами. Их использование только начинается, потому также адаптируют более простые 3D-культуры – сфероиды и органоиды, они бесскаффолдны. Сфероиды позволяют отследить, как, на какую глубину и с какой скоростью лекарство или наночастицы проникают вглубь ткани. Органоиды создают органоспецифические клеточные агрегаты. Принципы применения у обоих аналогичны: тестируемое вещество или наноматериал добавляют в культуральную среду, где растут сфероиды или органоиды; затем описываются результаты (гибель и жизнеспособность клеток и др.). В микрофлюидных чипах клетки определенного органа помещаются в трехмерную среду и подвергаются перфузии через очень тонкие капилляры. Туда могут быть добавлены интересующие исследователя вещества. Так имитируется поступление лекарства через транспортные системы организма. Технология имеет ряд преимуществ, но проигрывает тканевой инженерии в степени воспроизведения биологических свойств ткани. Тестирование наночастиц требует больше сил и средств, чем испытание препаратов, т.к. к свойствам лекарства, загруженного в наночастицы, добавляется набор свойств самой частицы, определяющих ее поведение в тканях.
Основные преимущества испытаний лекарств на биоискусственных тканях – сокращение времени тестирования, экономия ресурсов и улучшенная воспроизводимость. Эксперименты на животных имеют ограничения в связи с индивидуальными особенностями живого организма. Также результаты экспериментов на животных являются плохо воспроизводимыми, для подтверждения выводов обычно требуется повторение опытов с большим числом животных. Биоискусственные ткани, тканеинженерные конструкции и трехмерные культуры клеток более воспроизводимы, т.к. устроены проще.
Таким образом, испытание новых лечебных и диагностических агентов на биоискусственных тканях - очень перспективное направление. Возможно создание максимально точных, живых и функционально активных реплик здоровых и больных тканей, адаптация потенциальных лекарств и наночастиц к условиям, специфичным для этих тканей. Для тестирования новых методов лечения моделируют ткань, пораженную заболеванием, но есть патологические процессы (воспаление, старение и др.), которые пока не удается воспроизвести искусственно. Поэтому данная технология имеет перспективы развития.