Magnetyczne pociąganie za sznurki

Badania na zwierzętach często nie pozwalają przewidzieć reakcji tkanek ludzkich na nowe leki lub nowo opracowane terapie. Co więcej, generują niebywałe koszty badań klinicznych i budzą obawy etyczne. Dlatego intensywnie opracowuje się nowatorskie metody naśladowania naturalnego rozwoju ludzkich tkanek, takich jak układ krwionośny, w celu stworzenia powtarzalnego modelu do testowania nowych leków bez konieczności prowadzenia badań z udziałem zwierząt. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk zaprezentowali unikalny system oparty na komórkach śródbłonka pokrywających powierzchnię mikrocząstek, które można przestrzennie zorganizować w zaprojektowane wcześniej struktury, aby zainicjować wzrost układów naczyniowych o ściśle określonej mikro-architekturze. Wzorzec uzyskuje się poprzez kierowanie wzrostu naczyń przy użyciu zewnętrznych pól magnetycznych. Odkrycie to otwiera nowe możliwości w zakresie spersonalizowanych badań leków i medycyny precyzyjnej. Przyjrzyjmy się bliżej temu przełomowi.

Rosnąca powszechność ciężkich chorób, takich jak rak i choroby autoimmunologiczne, stymuluje rozwój wielu nowych leków na całym świecie. Jednak pomimo ogromnego postępu technologicznego w ostatnich dziesięcioleciach droga związku chemicznego od momentu jego odkrycia do zastosowania jako nowego leku w praktyce klinicznej zajmuje wiele lat i wiąże się z ogromnymi kosztami. Przed zastosowaniem u pacjentów, proponowany lek musi przejść wieloletnie badania laboratoryjne i rygorystyczne procedury testowania w celu zapewnienia bezpieczeństwa i skuteczności. Badania te prowadzone są głównie na zwierzętach zanim badany związek zostanie podany pacjentom w testach klinicznych. Niemniej jednak modele zwierzęce rzadko kiedy dokładnie odzwierciedlają profil biologiczny choroby. Wynika to głównie z różnic w fizjologii poszczególnych gatunków. W konsekwencji marnowane są lata badań i zasoby finansowe, co dramatycznie spowalnia wprowadzanie nowych środków terapeutycznych jak również zwiększa ceny leków i ogólny koszt leczenia. Aby stawić czoła temu problemowi, podejmowane są globalne wysiłki mające na celu zastąpienie eksperymentów na zwierzętach – tam, gdzie to możliwe – lepszymi, szybszymi, i bardziej etycznymi alternatywami, które mogłyby jednocześnie lepiej odzwierciedlać fizjologię człowieka.

Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badań w tej dziedzinie jest opracowywanie zaawansowanych modeli tkankowych, tworzonych z komórek ludzkich w hodowlach in vitro, co umożliwia szczegółowe ‘symulowanie’ przebiegu chorób i mechanizmów ich hamowania w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Aby technologia ta mogła znaleźć zastosowanie komercyjne, należy rozwiązać kilka wyzwań, w tym kwestię kontrolowanej rekonstrukcji układu mikronaczyniowego, który ma kluczowe znaczenie dla zaopatrzenia tkanek w tlen, składniki odżywcze, a także badane związki. Najnowsze badania zaproponowane przez zespół naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) i Uniwersytetu Warszawskiego (UW), kierowany przez dr hab. J. Guzowskiego i prof. P. Szymczaka, w ramach międzynarodowej współpracy z Narodowym Instytutem Genetyki Molekularnej, podejmują te wyzwania. Zespół zaproponował nową strategię bioinżynieryjną mającą na celu kontrolowane tworzenie struktur naczyniowych w skali mikro. Ich najnowsze badania, opublikowane w czasopiśmie Lab on a chip, łączą biologię komórkową, biomateriały oraz inżynierię mikroukładów magnetycznych w celu stworzenia systemów umożliwiających precyzyjne odtworzenie unaczynionych mikrośrodowisk, w tym mikrośrodowisk nowotworowych oraz testowanie leków cytostatycznych i/lub antyangiogennych. Proponowane, oryginalne podejście oparte na manipulacji komórek śródbłonka przy użyciu zewnętrznych pól magnetycznych może stanowić przełom niezbędny do uzyskania kontroli nad organizacją tkanki naczyniowej z niespotykaną dotąd precyzją i wydajnością, otwierając drogę do opracowania wiarygodnych testów przedklinicznych i spersonalizowanych terapii.

Komórki śródbłonka mają naturalną skłonność do agregacji i spontanicznego tworzenia złożonych struktur naczyniowych. Jednak struktury powstające w sposób spontaniczny mają z natury charakter losowy. Zespół z IChF PAN wysunął hipotezę, że komórki te można umieścić na powierzchni kulistych mikrocząstek magnetycznych, co pozwoli na powstanie zalążków naczyniowych rozwijających się w ściśle określonych miejscach. Zanim komórki zaczną rosnąć, mikrocząstki są układane w matryce przy użyciu pola magnetycznego generowanego przez dziesiątki ułożonych w regularny wzór mikromagnesów umieszczanych pod komorą hodowlaną, przy czym każdy mikromagnes zadaje położenie pojedynczej mikrocząstki. To unikalne podejście pozwala kontrolować odstępy między zalążkami naczyń, a tym samym precyzyjnie projektować np. rozwój połączeń charakteryzujących wczesne etapy rozwoju sieci naczyń krwionośnych. Co ważne, struktury te nie tylko naśladują zorganizowane struktury tkankowe, ale można je również łatwo odtworzyć i przeskalować do kontrolowanego modelu tkankowego.

„W naszych pracach opracowujemy kontrolowane układy mikronaczyniowe sterowane polem magnetycznym i pokazujemy ich zastosowania w inżynierii mikrośrodowisk nowotworowych oraz badaniach fenotypowych związków antyangiogennych lub cytostatycznych. Aby sprawdzić, czy zaprojektowane sieci mikronaczyniowe wykazują właściwe cechy fizjologiczne, zbadaliśmy integralność strukturalną mikronaczyń w 3D i zweryfikowaliśmy obecność charakterystycznych białek markerowych zdrowych naczyń krwionośnych” – mówi dr Katarzyna Rojek – pierwsza autorka tej pracy badawczej.

Naukowcy z IChF PAN zbadali kilka różnych podejść technologicznych, ostatecznie opracowując optymalną metodologię opartą na wykorzystaniu superparamagnetycznych mikrokulek jako „nasion” naczyniowych oraz ich porządkowaniu w układy za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Po wykiełkowaniu i połączeniu się macierze nasion ostatecznie dojrzewają, tworząc dobrze zorganizowane, funkcjonalne sieci naczyniowe o określonej strukturze. Podejście to otwiera możliwości tworzenia różnych typów modeli tkanek z naczyniami krwionośnymi, w tym modeli nowotworów unaczynionych, skóry lub innych układów biologicznych o rozbudowanym systemie naczyniowym, co pozwala zastąpić metody oparte na zwierzętach systemami laboratoryjnymi odwzorowującymi fizjologię człowieka.

Dr hab. Guzowski zauważa: „Wykorzystujemy nasz system do znalezienia optymalnego odstępu między nośnikami komórkowymi, poniżej którego sąsiednie mikro-naczynia łączą się ze sobą, a powyżej którego pozostają rozłączne, nawet w późnych fazach hodowli. W tym drugim przypadku można je traktować jako praktycznie niezależne eksperymenty biologiczne, co pozwala na uśrednienie zbiorcze cech morfologicznych. Wykazujemy, że układy mikronaczyniowe hodowane wspólnie, np. z komórkami nowotworowymi, mogą skutecznie służyć jako platforma o wysokiej wydajności do funkcjonalnego badania przesiewowego związków chemicznych w pełnym mikrośrodowisku 3D”.

W ramach projektu doktorant Antoni Wrzos, pod kierunkiem prof. Piotra Szymczaka z Uniwersytetu Warszawskiego, opracował autorską metodę numeryczną służącą do ilościowej oceny sieci naczyniowych na podstawie pozyskanych obrazów mikroskopowych. Zautomatyzowana analiza obrazów umożliwiła szybkie przetwarzanie ogromnych ilości danych i pomogła zrozumieć wpływ różnych badanych leków na żywe naczynia krwionośne.

Temat kontroli komórek naczyniowych jest istotny w wielu dziedzinach medycyny, a szczególnie pożądany w onkologii, gdzie nowe terapie są często złożone i generują wysokie koszty rozwoju. Dlatego istnieje silna motywacja do tworzenia ulepszonych modeli eksperymentalnych, które pozwolą dokładniej przewidywać skuteczność i toksyczność leków na wcześniejszym etapie procesu rozwoju. Przełom osiągnięty przez naukowców z IChF PAN i UW odpowiada na tę potrzebę, opisując najmniejszy model unaczynionej tkanki ludzkiej, który stanowi znaczący krok w kierunku medycyny spersonalizowanej. Zaproponowane kontrolowane modele unaczynionej tkanki ludzkiej mogą zmniejszyć zależność od badań na zwierzętach, poprawić zdolność prognostyczną badań przedklinicznych, obniżyć koszty opracowywania leków i potencjalnie umożliwić w przyszłości spersonalizowane testy terapeutyczne.

Badania te były wspierane przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) w ramach grantów: Sonatina (2020/36/C/NZ1/00238), Opus (2022/45/B/ST8/03675) oraz Sonata (2019/35/D/ST5/03613).

KONTAKT:

Dr hab. Jan Guzowski

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

e-mail: jguzowski@ichf.edu.pl

ARTYKUŁ:

“A comprehensive toolkit for manipulation and analysis of sprouting capillary networks based on magnetic ordering of multiple EC-coated microcarriers and their use in tissue modelling and drug testing”

Katarzyna O. Rojek, Antoni Wrzos, Fabio Maiullari, Konrad Giżyński, Maria Grazia Ceraolo, Claudia Bearzi, Roberto Rizzi, Piotr Szymczak, Jan Guzowski,

Lab Chip, 2026, 26, 875-896

DOI: https://doi.org/10.1039/D5LC00664C