Doskonalenie prognozowania toksyczności za pomocą zaawansowanego modelowania danych
Obecne, nowoczesne metody zastępowania badań toksyczności dla człowieka in vivo torują nowe drogi w nauce. Nie pozwoliły jednak jak dotąd na całkowite wyeliminowanie konieczności przeprowadzania badań na zwierzętach. Prawda jest taka, że aby poprawić prognozowanie toksyczności musimy zaprząc do pracy moc modelowania danych i zacząć wybiegać poza aktualny stan wiedzy. Na tym właśnie od niemal pięciu lat koncentruje się zespół projektu NOTOX. Wykorzystując jako punkt wyjścia najbardziej zaawansowane na dzień dzisiejszy metody, partnerzy projektu NOTOX (Predicting long-term toxic effects using computer models based on systems characterization of organotypic cultures) przyjęli „podejście oparte na biologii systemów” do problemu oceny toksyczności. Pod kierunkiem koordynatora projektu, prof. Elmara Heinzle’a z Instytutu Inżynierii Biochemicznej Uniwersytetu Saarland, zespół połączył hodowlę in vitro i techniki narażenia dużej mocy z pomiarami multiomicznymi i mechanistycznym modelowaniem wieloskalowym w celu poprawy prognozowania toksyczności. W toku prac partnerzy NOTOX opracowali szereg narzędzi opartych na biologii systemów, między innymi metody doświadczalne i obliczeniowe tworzenia przyczynowych modeli prognostycznych. Efektem jest udoskonalona prognostyka długofalowej toksyczności. Zaledwie kilka miesięcy przed zakończeniem projektu, prof. Heinzle w wyłącznej wypowiedzi dla magazynu research*eu nt. wyników opowiedział o podejściu NOTOX, nowo opracowanych narzędziach i ich wkładzie w poprawę prognozowania toksyczności. Kluczem do podejścia NOTOX jest „typowa struktura oparta na biologii systemów”. Co to oznacza i dlaczego ma znaczenie? Nasze podejście oparte na biologii systemów łączy (i) organotypowe hodowle wątroby z wykorzystaniem komórek HepaRG w hodowlach 2D i 3D, częściowo w połączeniu z innymi typami komórek wątrobowych, z (ii) wszechstronną analizą omiczną (epigenomika, transkryptomika, proteomika, metabolomika i fluksomika) z poszerzoną analizą bioinformatyczną oraz (iii) rozmaite typy modelowania komputerowego, od prostego typu PBPK po agentowe modele wieloskalowe. Dane z nowo opracowanych systemów komórkowych in vitro człowieka narażonych przez długi czas na powtarzalne dawki dają możliwość lepszego prognozowania długofalowej toksyczności. Czy udało się opracować prognostyczne modele komputerowe w odpowiedzi na problem długofalowej toksyczności? Dla różnych związków chemicznych złota wyselekcjonowanych przez konsorcjum SEURAT (klaster projektów pracujących nad zastąpieniem systematycznych badań toksyczności in vivo dla dawki powtarzalnej), odnotowano wysoką sprawność prognostyczną długofalowej toksyczności równoważnych dawek doustnych (OED) na bazie analiz żywotności w hodowlach długoterminowych. Skuteczną prognozę OED umożliwiały nawet proste modele. Modele te znajdują już zastosowanie i mogą być wykorzystywane przez użytkowników. Modele mechanistyczne zapewniają bardziej realistyczny obraz trybów działania. Bardziej szczegółowe modele koncentrują się na mechanizmie działania na ścieżki niepożądanych skutków. Sądzimy, że najbardziej toksyczne skutki są następstwem ograniczonej liczby mechanizmów. Istotne znaczenie ma zatem opracowanie takich szczegółowych modeli mechanistycznych, np. akumulacji lipidów (stłuszczenie wątroby) albo stresu oksydacyjnego, które można będzie następnie wykorzystać w wielu innych przypadkach. Modele mechanistyczne włączone w modele PBPK już zapewniają lepsze prognozowanie. Niektóre z tych modeli już są udostępniane przez naszego partnera przemysłowego, Insilico Biotechnology. Modele mechanistyczne wspomagają także identyfikację istotnych biomarkerów, które są mechanistycznie powiązane z trybem działania. Jakie są inne, główne osiągnięcia projektu? W ramach NOTOX wykazaliśmy z powodzeniem zastosowanie metod hodowli in vitro na potrzeby długoterminowego badania toksyczności dla wątroby z wykorzystaniem linii komórkowej hepatocytów HepaRG w formatach 2D i 3D, aby uzyskać fizjologicznie istotną prognozę toksyczności. Wykazaliśmy także, iż dane uzyskane z tych hodowli umożliwiają prognozę OED, która doprowadzi prawdopodobnie do skutków toksycznych u ludzi w następstwie długoterminowego narażenia. Zasadniczo dowiedliśmy, że doświadczenia multiomiczne na dużą skalę umożliwiają wyjaśnienie mechanizmu działania, który stanowi podstawę tworzenia modeli mechanistycznych o podwyższonej zdolności prognostycznej. Wreszcie wykazaliśmy, co ma istotne znaczenie dla innych badaczy, że toksyczność indukowana przez metabolizm może być analizowana i modelowana w połączeniu z wyhodowanymi kardiomiocytami, pochodnymi ludzkich komórek macierzystych. Partnerzy NOTOX wyprodukowali film, aby przybliżyć swoje prace. Jakie znaczenie w kontekście projektu ma aspekt komunikacyjny? Informowanie opinii publicznej na temat postępów w tej szczególnej dziedzinie badań miało szczególnie istotne znaczenie w projekcie NOTOX. Film NOTOX i ukierunkowane kampanie prasowe prowadzone w toku realizacji projektu, na przykład przy okazji Światowego Dnia Zwierząt, przyczyniły się do podniesienia świadomości w kwestiach o decydującym znaczeniu, takich jak zakaz prowadzenia badań na zwierzętach i reklamy składników kosmetyków testowanych na zwierzętach, a także tych dotyczących wysiłków podejmowanych przez konsorcjum NOTOX w celu opracowania nowych alternatyw. Ucieszyliśmy się, że wielu interesariuszy, między innymi przedsiębiorstwa, grupy działające na rzecz dobrostanu zwierząt i publiczne kanały telewizji, chciało dowiedzieć się więcej na temat projektu, jego motywów i celów, dzięki czemu przyczynili się oni do upowszechnienia informacji o projekcie NOTOX. Jaka była reakcja różnych grup, na które wpłyną wyniki waszych prac (interesariuszy, konsumentów, organów regulacyjnych i producentów)? W ramach projektu utrzymywaliśmy kontakt z przedstawicielami przedsiębiorstw żywo zainteresowanych nowymi metodologiami, jako sposobem oceny bezpieczeństwa, które umożliwiają zastąpienie badań na zwierzętach. Od marca 2013 r. kosmetyki i składniki kosmetyków testowane na zwierzętach nie mogą już być reklamowane w UE, tak więc już teraz istnieje realne zapotrzebowanie na zatwierdzone alternatywy. Co więcej perspektywa opracowania nowych składników, których bezpieczeństwo zostało dokładnie zbadane na podstawie serii zatwierdzonych modeli komputerowych lub innych metod, zamiast na szczurach czy myszach, jest niezwykle atrakcyjna. Prawdą jest też to, że konsumenci, o ile zostaną przekonani, że alternatywne metody badania zapewniają co najmniej taki poziom bezpieczeństwa jak tradycyjne badania na zwierzętach, najprawdopodobniej będą preferować opcję bez udziału zwierząt. Jakie kolejne kroki podejmie zespół NOTOX? Mimo iż oficjalna data zakończenia projektu jest wyznaczona na grudzień, konsorcjum będzie oczywiście kontynuować prace w oparciu o wyniki NOTOX. Kolejne kroki przed partnerami NOTOX to dokończenie zakrojonych na szeroką skalę studiów przypadku nad stresem oksydacyjnym i steatozą (stłuszczeniem wątroby), intensyfikacja badań nad skutkami obserwowanymi w mikroskopii elektronowej po obejrzeniu typowych struktur wątroby oraz dokończenie badań nad łącznym zastosowaniem hepatocytów i kardiomiocytów do wykrywania kardiotoksyczności indukowanej przez metabolizm. Jaki wpływ wedle waszych oczekiwań może wywrzeć projekt? Koncepcje i wyniki projektu NOTOX stanowią wsparcie dla podejścia molekularnego i opartego na biologii systemów do oceny toksyczności poprzez łączenie hodowli in vitro i technik narażenia dużej mocy z pomiarami multiomicznymi i mechanistycznym modelowaniem wieloskalowym. Mają one duże znaczenie z punktu widzenia naukowego, etycznego, społecznego i ekonomicznego. Ocena toksyczności in vitro w coraz większym stopniu koncentruje się na komórkach człowieka i użytecznych technikach hodowli, które wspomagają także długoterminowe badania. Zdecydowanie promujemy zastosowanie hodowli 3D linii komórkowej HepaRG w celu uzyskiwania wiarygodnych wyników. Przyczyni się to znacznie do zastąpienia lub ograniczenia badań na zwierzętach. W ramach NOTOX opracowaliśmy systemy prognozowania niepożądanych skutków w wirtualnej populacji ludzi o różnych zdolnościach metabolicznych i wrażliwościach. Położyliśmy także szczególny nacisk na szkolenie kolejnego pokolenia badaczy, którzy miejmy nadzieję będą w stanie przełożyć badania podstawowe na praktykę. NOTOX wniesie wkład w dalsze zastępowanie badań na zwierzętach poprzez metody badań oparte na in vitro, które bezpośrednio łącząc modele matematyczne i zatwierdzone, alternatywne modele komputerowe doprowadzą ostatecznie do znacznego ograniczenia zapotrzebowania przemysłu chemicznego i farmaceutycznego na badania na zwierzętach. Więcej informacji: Witryna projektu NOTOX
Kraje
Niemcy