Inteligentny model 3D serca do badań chemicznych
Każdego dnia mamy kontakt z tysiącami substancji chemicznych, od rozpuszczalników przemysłowych i pestycydów po środki czyszczące i składniki zawarte w opakowaniach żywności. Choć większość z nich przechodzi podstawowe badania toksyczności, ich wpływ na ludzkie serce, zwłaszcza w podeszłym wieku, jest często pomijany. Konwencjonalne oceny zagrożeń chemicznych rzadko uwzględniają wpływ na serce w dłuższym ujęciu czasowym, nie uwzględniają także różnic między młodszymi i starszymi osobami. Co więcej, badania te opierają się przede wszystkim na zwierzętach, których organizmy nie oddają w pełni ludzkiej fizjologii, a dodatkowo są problematyczne z punktu widzenia etyki.
Bioinżynieria serca w podeszłym wieku
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ALTERNATIVE(odnośnik otworzy się w nowym oknie) ma na celu rozwiązanie tego problemu poprzez opracowanie trójwymiarowego modelu tkanki ludzkiego serca. Model ten odtwarza strukturę i funkcję prawdziwej tkanki serca i może być dostosowany do replikacji młodej lub starzejącej się tkanki. „Naszym celem było opracowanie platformy do badania in vitro wpływu substancji chemicznych na ludzkie serce, szczególnie w kontekście starzenia się”, mówi Gianluca Ciardelli, koordynator projektu. Opracowany przez badaczy model składa się z czterech elementów - niestandardowego rusztowania wykonanego w technologii druku 3D, hydrożelu symulującego macierz zewnątrzkomórkową serca, komórek pochodzenia ludzkiego i dynamicznego systemu bioreaktora. Porowate rusztowanie jest zbudowane z nowego biokompatybilnego polimeru i pokryte fibronektyną w celu poprawy adhezji komórek. Pory są wypełnione hydrożelem na bazie żelatyny, którego sztywność można regulować w celu symulacji młodej lub starzejącej się tkanki serca. Model obejmuje komórki śródbłonka i kardiomiocyty pochodzące z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych pobranych od ludzkich pacjentów(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Mikroprzepływowy bioreaktor odtwarza mechaniczne i elektryczne bodźce występujące w sercu. Zapewnia przepływ perfuzyjny i przekazuje impulsy elektryczne, z kolei czujniki monitorują poziomy pH i tlenu w czasie rzeczywistym.
Inteligentniejsze i szybsze badania
„Nasza platforma nie tylko odtwarza tkankę serca, ale także pozwala nam obserwować, w jaki sposób ekspozycja na środki chemiczne wpływa na ekspresję genów, szlaki białkowe i integralność strukturalną w młodej i starzejącej się tkance serca”, podkreśla Ciardelli. Platforma umożliwia przeprowadzanie analiz wieloomicznych (genomicznych, transkryptomicznych, proteomicznych) oraz pozwala na wykorzystanie algorytmów uczenia maszynowego w celu poprawy wykrywania wczesnych objawów kardiotoksyczności. Jej założenia są zgodne z przepisami i przekładają się na realizację unijnych celów określonych w Europejskim Zielonym Ładzie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zdaniem ekspertów projekt ALTERNATIVE zmieni sposób, w jaki organy europejskie oceniają zagrożenia stwarzane przez substancje chemiczne występujące w naszym otoczeniu dla serca. Badania z udziałem zwierząt często pomijają kluczowe markery stresu oraz degeneracji serca, zwłaszcza w przypadkach osób starszych. Platforma ALTERNATIVE zapewnia mechanistyczny wgląd w arytmie, zmiany kurczliwości i słabości związane z wiekiem, a zapewniany przez nią poziom szczegółowości zapewniany przez platformę był dotychczas nieosiągalny poza laboratorium. Co więcej, model pozwala na badanie mieszanin substancji chemicznych, umożliwia symulowanie rzeczywistego narażenia i dostarcza organom regulacyjnym bardziej specyficznych dla populacji danych dotyczących ryzyka, szczególnie w przypadku osób starszych.
Od laboratorium do strategii
Zespół projektu ALTERNATIVE opracował dwa modele niepożądanych skutków kardiotoksyczności, które zostały zaakceptowane przez Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (OECD) w celu poprawy międzynarodowych standardów opartych na dowodach i sformułowania polityk dotyczących stosowania określonych substancji chemicznych. Po zakończeniu prac w ramach projektu zespół koncentruje się na publikowaniu wyników i poszukiwaniu partnerów w celu komercjalizacji rozwiązania. Poszczególne elementy rozwiązania, takie jak platforma mikroprzepływowa i bioreaktory wyposażone w czujniki mogą wkrótce wejść na rynek jako część zestawów testowych nowej generacji. „W międzyczasie platforma będzie nadal udoskonalana i stosowana w kolejnych badaniach i projektach unijnych, wspierając popularyzację istotnych dla ludzi, etycznych i precyzyjnych testów toksyczności”, podsumowuje Ciardelli.
