Opracowanie nowego leku to proces trwający często kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt lat. Jednym z najtrudniejszych etapów pozostaje ocena bezpieczeństwa – szczególnie w kontekście toksyczności dla wątroby. Nowe badanie opublikowane w ACS Pharmacology & Translational Science wskazuje, że technologia „wątroby na chipie” może istotnie poprawić predykcyjność testów przedklinicznych i ograniczyć ryzyko niepowodzeń na późnych etapach rozwoju leków.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego klasyczne modele in vitro i badania na zwierzętach nie zawsze przewidują toksyczność leków u ludzi oraz jakie ma to konsekwencje dla rozwoju terapii.
- Na czym polega technologia „wątroby na chipie” (PhysioMimix LC12) i w jaki sposób odtwarza kluczowe funkcje ludzkiej wątroby.
- Jak 14-dniowa stabilna hodowla komórek w systemie LC12 umożliwia wykrywanie opóźnionych i kumulujących się uszkodzeń wątroby.
- Jakie są ograniczenia technologii organ-on-a-chip oraz jakie warunki muszą zostać spełnione, aby mogła być szeroko akceptowana przez regulatorów.
Dlaczego wątroba jest kluczowa w testach bezpieczeństwa leków?
Wątroba odpowiada za metabolizm większości substancji farmakologicznych oraz neutralizację toksyn. To właśnie w tym narządzie dochodzi do biotransformacji leków, co może prowadzić do powstawania reaktywnych metabolitów i uszkodzeń komórkowych. Polekowe uszkodzenie wątroby (ang. drug-induced liver injury, DILI) stanowi jedną z najczęstszych przyczyn:
- przerwania badań klinicznych,
- wycofania leku z rynku,
- ograniczeń rejestracyjnych.
Tradycyjne modele – hodowle komórkowe w szalce Petriego oraz badania na zwierzętach – mają istotne ograniczenia. Różnice anatomiczne i fizjologiczne między gatunkami sprawiają, że wyniki badań przedklinicznych nie zawsze przekładają się na bezpieczeństwo u ludzi.
„Wątroba na chipie” – czym jest system PhysioMimix LC12?
W odpowiedzi na niedoskonałości klasycznych metod rozwijane są systemy mikrofizjologiczne (MPS, microphysiological systems), określane jako technologie „organ-on-a-chip”. Jednym z takich rozwiązań jest PhysioMimix LC12 – urządzenie opracowane przez brytyjską firmę CN Bio. Badanie przeprowadził dr Chander Negi z Texas A&M University pod nadzorem prof. Ivana Rusyna, we współpracy z konsorcjum TEX-VAL (Texas A&M Tissue Chip Validation). Jak wyjaśnił Negi:
Platforma LC12 zawiera 12 niezależnych dołków hodowlanych i została zaprojektowana tak, aby odtworzyć kluczowe cechy wątroby, w tym interakcje międzykomórkowe i ciągły przepływ składników odżywczych, dzięki czemu komórki wątroby zachowują się bardziej podobnie do tego, jak zachowują się in vivo (w żywym organizmie).
System wykorzystuje pierwotne komórki wątroby ludzi, małp, szczurów i psów, umożliwiając analizę międzygatunkowych różnic w toksyczności leków – co od lat stanowi wyzwanie w badaniach przedklinicznych.
Wyniki badania: większa predykcyjność i zgodność z danymi klinicznymi
Naukowcy przetestowali trzy leki o znanych różnicach w toksyczności między gatunkami. W modelu LC12 zaobserwowano:
- bardziej spójne i silne reakcje biologiczne,
- lepsze odwzorowanie toksyczności specyficznej dla danego gatunku,
- większą zgodność z rzeczywistymi danymi in vivo.
Jak podkreślił Negi:
Co ważne, model wątroby na chipie dokładniej odzwierciedlał znane toksyczności specyficzne dla danego gatunku.
Szczególnie istotną zaletą systemu okazała się możliwość długoterminowej hodowli komórek – nawet do 14 dni – przy zachowaniu ich żywotności, aktywności metabolicznej oraz ekspresji genów charakterystycznych dla wątroby.
Jedną z najważniejszych zalet LC12 była jego zdolność do wspierania długoterminowej hodowli komórek wątroby , które zachowywały żywotność i aktywność metaboliczną do 14 dni, przy lepszym zachowaniu ekspresji genów specyficznych dla wątroby.
Ta cecha ma kluczowe znaczenie dla wykrywania opóźnionych i kumulujących się uszkodzeń wątroby – zjawisk często pomijanych w krótkoterminowych testach in vitro. Dodatkowo, większa objętość systemu umożliwia wielokrotne pobieranie próbek z tego samego chipu, co pozwala na analizę zależności między ekspozycją na lek, a narastającą toksycznością.
Ograniczenia technologii „organ-on-a-chip”
Pomimo obiecujących wyników, system LC12 nie jest wolny od ograniczeń. Po pierwsze – przepustowość. Choć urządzenie pozwala analizować więcej próbek niż wiele innych technologii organ-on-a-chip, nie jest przeznaczone do badań przesiewowych na bardzo dużą skalę. Po drugie – koszt. Jak zauważył Negi:
System jest droższy niż konwencjonalne modele hodowli komórkowej (w szalce); jednak zwiększona dokładność i znaczenie dla ludzi mogą uzasadniać tę inwestycję poprzez zmniejszenie liczby niepowodzeń w późnych fazach badań nad lekami.
Dodatkowym wyzwaniem pozostaje brak możliwości obrazowania komórek w czasie rzeczywistym oraz niepełne odwzorowanie złożoności ludzkich tkanek. Jak wskazał prof. Rusyn:
Oprócz kosztów i wydajności, wszystkie urządzenia typu „organ-on-a-chip” nie osiągnęły jeszcze pełnej złożoności ludzkich tkanek.
W szczególności konieczne jest uwzględnienie komponentu immunologicznego oraz zmienności osobniczej, co stanowi kolejny etap rozwoju inżynierii biomedycznej.
Kierunki dalszych badań: integracja z analizą molekularną
Zespół planuje rozszerzyć walidację systemu o kolejne substancje, zwłaszcza te wywołujące złożoną i opóźnioną toksyczność. Równolegle prowadzone są prace nad integracją technologii „wątroby na chipie” z:
- analizą ekspresji genów,
- proteomiką,
- badaniami metabolomicznymi.
Takie podejście umożliwi powiązanie zmian molekularnych z funkcjonalnymi zaburzeniami wątroby oraz stworzenie bardziej predykcyjnych, mechanistycznych i potencjalnie spersonalizowanych modeli oceny bezpieczeństwa leków. Negi podsumował:
Chociaż nadal potrzebne są dalsze badania i ocena regulacyjna, to badanie stanowi ważny krok w kierunku bardziej predykcyjnych, istotnych dla ludzi testów leków.
Znaczenie dla przemysłu farmaceutycznego i regulatorów
Jeżeli technologie takie jak PhysioMimix LC12 zostaną odpowiednio zwalidowane i ustandaryzowane, mogą:
- zmniejszyć liczbę niepowodzeń w fazach klinicznych,
- ograniczyć wykorzystanie zwierząt w badaniach,
- przyspieszyć proces rejestracyjny,
- poprawić bezpieczeństwo pacjentów.
Co więcej, integracja systemów MPS z narzędziami analizy molekularnej może stanowić fundament dla przyszłych, bardziej spersonalizowanych testów przedklinicznych.
Główne wnioski
- PhysioMimix LC12 – system „wątroby na chipie” – lepiej odzwierciedla toksyczność specyficzną dla gatunku niż konwencjonalne modele komórkowe in vitro.
- Urządzenie umożliwia utrzymanie żywotności i aktywności metabolicznej komórek wątroby do 14 dni, co zwiększa szanse wykrycia opóźnionych uszkodzeń polekowych (DILI).
- Model pozwala na wielokrotne pobieranie próbek i analizę zależności dawka–toksyczność, co poprawia ocenę bezpieczeństwa na etapie przedklinicznym.
- Mimo wyższych kosztów i ograniczonej przepustowości, technologia może zmniejszyć liczbę niepowodzeń w późnych fazach badań klinicznych oraz zwiększyć wiarygodność danych dla organów regulacyjnych.
Źródło:
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsptsci.5c00554
- Texas A&M University
