Postęp w kardiologii coraz częściej zależy od jakości modeli laboratoryjnych, które wiernie odzwierciedlają biologię ludzkiego serca. Naukowcy z Leiden University Medical Center (LUMC) oraz biotechnologicznej firmy Ncardia opracowali zautomatyzowaną platformę do produkcji trójwymiarowych mikrotkanek serca. Rozwiązanie to umożliwia szybkie, powtarzalne i skalowalne testowanie tysięcy związków, znacząco przyspieszając badania nad lekami kardiologicznymi.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego modele 3D tkanki serca są przełomowe w badaniach nad lekami kardiologicznymi i bezpieczeństwem terapii.
- Jak automatyzacja i uczenie maszynowe przyspieszają testowanie leków, umożliwiając badania na dużą skalę.
- Jakie konkretne wyniki przyniósł przesiew ponad 2000 związków w modelu ciężkiej arytmii serca.
- Jak platforma 3D otwiera drogę do medycyny spersonalizowanej i nowych terapii dla pacjentów opornych na leczenie.
Wrodzone zaburzenia rytmu serca – pilna potrzeba nowych terapii
Wrodzone arytmie serca to dziedziczne zaburzenia układu elektrycznego serca, które mogą prowadzić do groźnych zaburzeń rytmu lub nagłej śmierci sercowej. Choć poszczególne jednostki chorobowe są rzadkie, łącznie dotyczą około 1 na 2000 osób na świecie. Co istotne, dla wielu pacjentów dostępne opcje leczenia pozostają ograniczone, co podkreśla potrzebę nowych, skuteczniejszych terapii.
Modele komórek macierzystych jako fundament badań
Aby opracowywać lepsze leki, konieczne są modele badawcze wiernie odzwierciedlające funkcjonowanie ludzkiego serca. W tym celu zespół LUMC wykorzystuje ludzkie pluripotentne komórki macierzyste, które mogą różnicować się w niemal każdy typ komórek. Jak wyjaśnia Richard Davis, kierownik grupy w LUMC:
Pluripotencjalne komórki macierzyste mogą namnażać się w nieskończoność i być kierowane w laboratorium do niemal każdego typu komórek w organizmie. W naszej grupie wykorzystujemy je do generowania komórek serca, które pozwalają nam badać zaburzenia rytmu serca i opracowywać nowe metody leczenia w modelu istotnym dla człowieka.
Od jednowarstwowych hodowli do mikrotkanek 3D
Tradycyjne modele in vitro opierały się na jednowarstwowych hodowlach komórek mięśnia sercowego. Obecnie naukowcy tworzą mikrotkanki 3D, zawierające wiele typów komórek serca, które znacznie lepiej odzwierciedlają jego strukturę i funkcję.
Wczesne modele składały się z pojedynczej warstwy komórek mięśnia sercowego” – podkreśla Davis. – Dziś tworzymy małe struktury 3D zawierające wiele typów komórek serca. Struktury te, znane również jako mikrotkanki serca, wierniej odzwierciedlają ludzkie serce.
Dzięki zastosowaniu barwników fluorescencyjnych reagujących na sygnały wapniowe i aktywność elektryczną, badacze mogą precyzyjnie analizować rytm i reakcję tkanki na leki.
Automatyzacja i skalowanie badań
Kluczowym krokiem było zautomatyzowanie produkcji i analizy mikrotkanek serca. Współpraca LUMC z Ncardia pozwoliła połączyć zaawansowane modelowanie chorób serca z robotyką oraz algorytmami uczenia maszynowego. Dzięki temu platforma stała się skalowalna i odpowiednia do badań przesiewowych na dużą skalę. Jak podkreśla Shushant Jain, dyrektor Ncardia:
Łącząc dogłębną wiedzę specjalistyczną LUMC w zakresie modelowania chorób serca z wykorzystaniem komórek macierzystych z możliwościami automatyzacji, produkcji i analityki firmy Ncardia, stworzyliśmy skalowalną platformę, która wprowadza istotną dla człowieka biologię serca do wczesnego etapu odkrywania leków.
Przesiew ponad 2000 związków i obiecujące wyniki
Zautomatyzowana platforma, opisana w czasopiśmie Trends in Biotechnology, została wykorzystana do przebadania ponad 2000 związków zatwierdzonych przez FDA w modelu ciężkiej dziedzicznej arytmii – polimorficznego częstoskurczu komorowego katecholaminergicznego (CPVT1).
W wyniku szerokiego screeningu zidentyfikowano około 100 związków, które korygowały nieprawidłowy rytm serca w tym modelu. Obecnie trwają dalsze badania mające ocenić ich potencjał terapeutyczny.
Szerokie zastosowania i medycyna spersonalizowana
Platforma ma zastosowanie nie tylko w odkrywaniu nowych leków, lecz także w testach bezpieczeństwa kardiologicznego oraz ocenie toksyczności substancji chemicznych dla tkanki serca człowieka. Co więcej, technologia otwiera drogę do rozwoju medycyny spersonalizowanej.
Wykorzystując komórki macierzyste pobrane od poszczególnych pacjentów, możemy generować spersonalizowane mikrotkanki serca – zaznacza Davis. – To przybliża nas do dopasowania terapii do indywidualnego pacjenta.
Główne wnioski
- Zautomatyzowana platforma 3D mikrotkanek serca umożliwia szybkie, powtarzalne i skalowalne testowanie leków kardiologicznych.
- Modele oparte na ludzkich pluripotentnych komórkach macierzystych wiernie odzwierciedlają biologię serca i przewidują działanie leków.
- Przesiew ponad 2000 związków zatwierdzonych przez FDA pozwolił zidentyfikować około 100 kandydatów korygujących zaburzenia rytmu serca.
- Platforma może skrócić drogę od odkrycia do terapii i wspierać rozwój spersonalizowanych metod leczenia.
Źródło:
- Leiden University
- https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(25)00490-1
