Bioreaktorprocesser og kryoteknologier forbedrer test af aktive ingredienser ved hjælp af humane cellekulturer

Mange nye lægemiddelkandidater ender med at fejle, fordi de forårsager alvorlige bivirkninger i kliniske forsøg, selvom laboratorietest, der involverer cellekulturer, har været succesfulde. Dette er en almindelig hændelse, hvis de anvendte celler for eksempel kommer fra dyrevæv.

Specielt fremstillede cellekulturer fremstillet af humant væv kendt som human-inducerede pluripotente stamceller (hiPS) muliggør større pålidelighed ved testning og øger derved også chancerne for, at et lægemiddel bliver godkendt.

Fraunhofer-forskere har udviklet innovative løsninger til optimeret produktion af celler i bioreaktorer og unikke kryoteknologier. Dette baner vejen for effektiv brug af disse cellekulturer i den virkelige verden til toksicitetstestning og opdagelse af lægemidler.

Forskere står over for et dilemma, hvis deltagerne oplever alvorlige bivirkninger under kliniske forsøg for at teste nye aktive ingredienser. Det betyder ofte, at udviklingen af ​​en lovende lægemiddelkandidat vil blive standset, så stoffet aldrig når markedet.

En af grundårsagerne er, at lægemiddelkandidater typisk testes ved hjælp af in vitro-cellekulturmodeller baseret på dyreceller eller på dyr først. I begge tilfælde er der grænser for, hvor godt testresultaterne oversættes til mennesker. Det betyder, at der er en risiko for, at forsøgsdeltagere pludselig oplever uacceptable bivirkninger.

Medicinske forskere har store forhåbninger til det, der er kendt som human-inducerede pluripotente stamceller (hiPS). Disse celler stammer fra humant væv, så de er et meget mere præcist grundlag for at bestemme, hvordan stoffer vil virke i mennesker end konventionelle tests.

Cellerne tages fra humant hudvæv eller en blodprøve og gennemgår derefter en særlig omprogrammeringsprocedure i laboratoriet. Derefter er de ikke længere programmeret til en enkelt type væv, hvorfor de kaldes "pluripotente."

Til lægemiddeltestformål kan hiPS-cellerne derefter omdifferentieres til næsten alle slags celler, der findes i den menneskelige krop. Dette nedsætter betydeligt risikoen for uønskede bivirkninger i efterfølgende kliniske forsøg med mennesker.

Bioreaktorer til opskaleret celleproduktion

De celler, der er nødvendige til testene, produceres i bioreaktorer. Et team af forskere ledet af Dr. Julia Neubauer, leder af afdelingen Cryo &Stem Cell Technologies ved Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT, har nu gjort et betydeligt fremskridt med at multiplicere og differentiere hiPS-celler i en bioreaktor.

"Det er nu for første gang muligt at opskalere processen, så der skabes store mængder funktionelle celler på kort tid," siger Neubauer.

Udfordringen for Fraunhofer-forskerne, der deltog i R2U-Tox-Assay-fællesprojektet, var at finde ud af, hvordan man bedst kan replikere de miljømæssige forhold, der forekommer naturligt i den menneskelige krop, i en bioreaktor, så cellerne formerer sig hurtigt uden tab af funktionalitet.

"Vi udviklede og producerede vores egen elastiske hydrogel til at fungere som et substrat specifikt for bioreaktoren. Cellerne er lige hjemme der, så de kan formere sig effektivt. De valgte parametre giver os mulighed for at producere mængder, der er relevante for medicinsk test på op til op til flere milliarder celler," forklarer Neubauer.

Cellemodellerne fremstillet på denne måde - som kan differentieres til væv som hjertemuskel, hud eller neuroner - kan derefter bruges i assays til at teste lægemiddelkandidater og bestemme deres toksicitet. En anden fordel er, at hiPS-cellerne er humane celler, der stadig indeholder donorens genominformation, hvilket gør det muligt at udvikle passende test af nye aktive ingredienser til også at behandle sygdomme og lidelser med en genetisk komponent.

Cryotank flash fryser

Der er dog et andet problem for både lægemiddelforskere og universitetsmedicinske centre:opbevaring og tilgængelighed af cellekulturer. Fraunhofer-forskerne satte deres årtiers ekspertise i kryokonservering af celler til at arbejde med dette spørgsmål.

Fraunhofer IBMT har udviklet kryokonserveringsmetoder, der ikke findes andre steder i verden. Flydende nitrogen bruges til at afkøle cellemodellerne dyrket i bioreaktoren fra ca. plus 23°C ned til -196° inden for to sekunder.

Fraunhofer-forskerne har også udviklet en speciel cellekulturplade, der kan bruges til først at dyrke cellerne og derefter fryse dem. Kombineret med den hurtige nedfrysningsproces hæmmer specielle frysemedier dannelsen af ​​iskrystaller i cellevævet, som ville beskadige materialet og efterlade det grødet. "Hvis du nogensinde har frosset jordbær derhjemme, vil du være bekendt med denne uønskede effekt," siger Neubauer.

Hun og hendes team udviklede en detaljeret kryokonserveringsprotokol, der beskriver den korrekte procedure. Protokollen angiver parametre, såsom kølehastighed og de tider, frysemediet skal træde i kraft, for de specifikke typer celler, der skal bevares. Disse metoder sikrer, at de følsomme menneskelige cellekulturer bevarer deres fulde funktionalitet, efter at de er fjernet fra kryolageret og derefter optøet.

De standardiserede cellekulturplader gør det muligt at opbevare og transportere cellekulturerne næsten uden begrænsning til de højkapacitetsscreeninger, der anvendes i farmaceutisk forskning. Hospitaler og farmaceutiske laboratorier kan holde cellekulturer på lager, så de altid har de rigtige celler til rådighed til toksicitet og lægemiddeltestning.

Forbedrede kandidattests for nye lægemidler

De raffinerede bioreaktor- og kryolagringskoncepter baner vejen frem for effektiv brug af hiPS-celler i den virkelige verden i medicinsk forskning. Traditionelle in vitro-forsøg, der involverer dyreceller, og etisk problematiske dyreforsøg er begge erstattet af væsentligt mere nøjagtige testsystemer.

"I det hele taget muliggør resultaterne af R2U-Tox-Assay en mere effektiv, sikker udvikling af lægemiddelkandidater til behandling af en række sygdomme, herunder hjerte- og øjensygdomme og endda neurologiske lidelser såsom demens," siger Neubauer.

Leveret af Fraunhofer-Gesellschaft