Testowanie kardiotoksyczności leków bez badań na zwierzętach. MHH rozwija platformę HEARTCORE

Międzynarodowe konsorcjum koordynowane przez Medizinische Hochschule Hannover (MHH) rozpoczyna projekt HEARTCORE, którego celem jest opracowanie nowej platformy do oceny kardiotoksyczności leków na podstawie trójwymiarowych organoidów ludzkiego serca. Badacze chcą połączyć wielotkankowe modele HFO, elastyczne sieci mikroelektrod, laserową optoporację oraz analizę danych z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. W założeniu system ma umożliwić dokładniejszą ocenę wpływu kandydatów na leki na elektryczną aktywność serca już na wczesnych etapach ich rozwoju, ograniczając jednocześnie potrzebę prowadzenia doświadczeń na zwierzętach.

W artykule:

• dlaczego obecne modele oceny kardiotoksyczności leków mają ograniczenia,
• na czym polega projekt HEARTCORE koordynowany przez MHH,
• jak zbudowane są organoidy heart-forming organoids (HFO),
• w jaki sposób sieć Mesh-MEA pozwoli rejestrować elektryczną aktywność tkanki,
• jak laserowa optoporacja i sztuczna inteligencja mają uzupełnić pomiary,
• czy w przyszłości część oceny bezpieczeństwa kardiologicznego leków będzie można wykonywać cyfrowo.

Kardiotoksyczność pozostaje ważnym problemem w rozwoju leków

Zanim nowy lek trafi do praktyki klinicznej, konieczna jest dokładna ocena jego bezpieczeństwa, w tym potencjalnego niekorzystnego wpływu na układ sercowo-naczyniowy. Niepożądane działania dotyczące serca mogą występować w przypadku bardzo różnych grup farmaceutyków. Problem nie ogranicza się do leków stosowanych bezpośrednio w kardiologii czy leczeniu nadciśnienia tętniczego. Potencjalny wpływ na czynność elektryczną i funkcjonowanie serca mogą wykazywać również niektóre leki przeciwbólowe, antybiotyki czy leki przeciwdepresyjne.

Ocena bezpieczeństwa kardiologicznego jest więc jednym z istotnych etapów rozwoju farmakologicznego. Obecnie wykorzystuje się między innymi modele zwierzęce oraz znacznie uproszczone hodowle komórkowe. Według badaczy zaangażowanych w projekt HEARTCORE metody te nie zawsze pozwalają wystarczająco wiarygodnie przewidzieć reakcję organizmu człowieka.

Ograniczona zdolność modeli przedklinicznych do odwzorowywania ludzkiej fizjologii może mieć konsekwencje zarówno dla bezpieczeństwa pacjentów, jak i dla procesu opracowywania leków. Szczególne znaczenie ma możliwość odpowiednio wczesnego wykrywania potencjału proarytmicznego oraz innych postaci kardiotoksyczności.

Właśnie temu problemowi ma odpowiadać projekt HEARTCORE. Międzynarodowe konsorcjum kierowane przez Wissenschaftler z Medizinische Hochschule Hannover chce stworzyć platformę umożliwiającą ocenę reakcji ludzkiej tkanki serca bez konieczności wykorzystywania modeli zwierzęcych.

Projekt HEARTCORE i około 3 mln euro finansowania

Zespołem koordynującym projekt kieruje prof. dr Robert Zweigerdt, biolog komórkowy i kierownik grupy badawczej w Leibniz Forschungslaboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe (LEBAO), działających przy Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie w Medizinische Hochschule Hannover.

Projekt otrzymał około 3 mln euro finansowania Unii Europejskiej w ramach EIC Pathfinder Open.

Założeniem naukowców jest opracowanie metody, która pozwoliłaby znacznie wcześniej niż obecnie rozpoznawać potencjalne niepożądane oddziaływanie nowych substancji na serce.

Jak podkreśla prof. Robert Zweigerdt, serce charakteryzuje się bardzo wysokim metabolizmem energetycznym i może reagować na substancje farmakologiczne bardziej wrażliwie niż wiele innych narządów. Z tego względu potrzebne są modele prognostyczne, które umożliwią wykrycie niekorzystnych efektów na możliwie wczesnym etapie opracowywania nowego leku.

Organoidy serca zamiast uproszczonych hodowli komórkowych

Podstawę projektowanej platformy mają stanowić opracowane i opatentowane przez badaczy trójwymiarowe modele ludzkiej tkanki określane jako heart-forming organoids (HFO).

Są to mierzące zaledwie kilka milimetrów struktury, które odtwarzają znacznie bardziej złożone zależności biologiczne niż klasyczna hodowla pojedynczego rodzaju komórek.

HFO składają się z trzech struktur o kształcie przypominającym miseczki. Podobnie jak podczas rozwoju embrionalnego występują w nich struktury związane z powstawaniem serca, prekursorami wątroby i płuc oraz naczyń krwionośnych. Obecne są również komórki prekursorowe węzła zatokowego, który w dojrzałym sercu pełni funkcję podstawowego fizjologicznego rozrusznika i w istotnym stopniu decyduje o częstości rytmu serca.

Czym różnią się HFO od prostszych organoidów?

Organoidy serca powstają z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych – hPSC (human pluripotent stem cells). Komórki te mogą być namnażane w warunkach hodowlanych i mają zdolność różnicowania się w różne typy komórek. Poprzez odpowiednie sygnały biologiczne lub chemiczne można ukierunkowywać ich rozwój tak, aby powstawały trójwymiarowe agregaty komórkowe.

Heart-forming organoids są bardziej złożone niż proste organoidy sercowe. Według MHH obejmują co najmniej siedem różnych, wyraźnie zorganizowanych typów komórek i tkanek.

HFO są modelami wielotkankowymi. Odzwierciedlają równoczesny rozwój serca, naczyń krwionośnych oraz jelita przedniego podczas rozwoju embrionalnego człowieka. Ma to szczególne znaczenie w farmakologii, ponieważ zarówno procesy chorobowe, jak i działanie leków rzadko ograniczają się do jednego izolowanego rodzaju komórek.

Badacze zakładają, że właśnie dzięki takiemu stopniowi złożoności HFO mogą pozwolić na bardziej kontrolowane badanie wpływu substancji farmakologicznych na kilka rodzajów tkanek jednocześnie.

Elektrody wewnątrz organoidu – „mini-EKG” ludzkiej tkanki

Jednym z najważniejszych elementów projektu HEARTCORE jest sposób rejestrowania elektrycznej aktywności organoidów.

Miniaturowe struktury sercowe nie mają rosnąć jedynie na powierzchni standardowego naczynia laboratoryjnego. Naukowcy chcą hodować je w obrębie dwuwarstwowej trójwymiarowej sieci mikroelektrod – 3D Mesh Microelectrode Array (Mesh-MEA).

Jest to mikroskopijny, bardzo elastyczny układ elektrod przypominający wyjątkowo cienką pajęczynę. Organoid może rosnąć wokół sieci i poprzez nią, dzięki czemu system elektrod zostaje przestrzennie zintegrowany z rozwijającą się tkanką.

Takie rozwiązanie ma umożliwić rejestrację aktywności elektrycznej HFO nie tylko z jego powierzchni, lecz również z wnętrza trójwymiarowej struktury.

Jednocześnie konstrukcja sieci ma nie uszkadzać komórek ani nie ograniczać dostarczania im tlenu i substancji odżywczych.

Dr Lika Drakhlis, biolog komórek macierzystych i kierowniczka grupy młodych naukowców w LEBAO, zwraca uwagę, że wiele substancji farmakologicznych wpływa na pobudliwość elektryczną serca. Badacze chcą zatem wykorzystać platformę Mesh-MEA jako rodzaj „mini-EKG” pozwalającego analizować kardiotoksyczność oraz przewidywać reakcję na leki.

Laserowa optoporacja pozwoli zajrzeć do wnętrza komórek

Kolejnym elementem systemu ma być laserowa optoporacja zintegrowana z Mesh-MEA.

W tej metodzie odpowiednio kontrolowana wiązka lasera, kierowana za pomocą specjalistycznego mikroskopu, powoduje powstawanie w błonie komórkowej bardzo małych i przejściowych porów. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie dodatkowych sygnałów elektrycznych pochodzących z wnętrza komórek organoidu.

Zmiana w błonie komórkowej ma charakter czasowy. Według opisu projektu cały proces zajmuje jedynie kilka minut, po czym niewielki otwór w błonie komórkowej samoistnie się zamyka.

Połączenie danych z klasycznej zewnątrzkomórkowej rejestracji elektrycznej z informacjami uzyskanymi z wnętrza komórek może pozwolić na znacznie dokładniejsze opisanie wpływu badanej substancji na elektrofizjologię modelowej tkanki serca.

Od organoidu do cyfrowej prognozy dzięki sztucznej inteligencji

Projekt nie kończy się jednak na samym rejestrowaniu sygnałów elektrycznych.

Według prof. Zweigerdta HEARTCORE ma połączyć cztery zasadnicze elementy: trójwymiarowe organoidy ludzkiego serca, wielowarstwowe sieci mikroelektrod Mesh-MEA, laserową optoporację oraz wspomagane sztuczną inteligencją przewidywanie ryzyka.

Zebrane dane mają następnie posłużyć do opracowania wirtualnego modelu obliczeniowego. Docelowo miałby on umożliwiać cyfrowe przewidywanie niepożądanego wpływu substancji farmakologicznych na serce.

Badacze zakładają, że na dalszym etapie rozwoju technologii odpowiednio zwalidowany model komputerowy mógłby odwzorowywać wpływ leków na procesy biologiczne zachodzące w sercu i pomagać przewidywać ich skutki.

Na obecnym etapie jest to jednak cel projektu, a nie gotowe narzędzie zastępujące badania laboratoryjne. HEARTCORE ma dopiero dostarczyć danych potrzebnych do stworzenia i rozwijania takiego modelu predykcyjnego.

Znaczenie dla rozwoju leków i przyszłej praktyki klinicznej

Jeżeli założenia projektu zostaną potwierdzone eksperymentalnie, połączenie biologicznie bardziej złożonych modeli ludzkich z przestrzenną rejestracją elektrofizjologiczną może zwiększyć możliwości identyfikowania potencjalnej kardiotoksyczności już na etapie przedklinicznym.

W praktyce klinicznej znaczenie takiego podejścia byłoby pośrednie, ale potencjalnie istotne. Wiarygodniejsza selekcja kandydatów na leki na wcześniejszych etapach rozwoju mogłaby ograniczać ryzyko przechodzenia do późniejszych faz badań z substancjami wykazującymi niekorzystny wpływ na serce.

Twórcy projektu oczekują również możliwości skrócenia czasu oraz zmniejszenia kosztów rozwoju farmaceutyków. Jednocześnie zastosowanie modeli z ludzkich komórek ma ograniczać zależność badań przedklinicznych od doświadczeń na zwierzętach.

Potencjalne zastosowania opracowywanej technologii nie muszą ograniczać się do kardiologii. Według zespołu podobną koncepcję można byłoby w przyszłości zastosować również w badaniach innych pobudliwych elektrycznie tkanek i narządów, w których elektrofizjologia odgrywa kluczową rolę – między innymi mózgu.

Międzynarodowe konsorcjum HEARTCORE

Projekt HEARTCORE jest koordynowany przez Medizinische Hochschule Hannover (MHH).

W skład konsorcjum wchodzą również:

• Universitat Politècnica de València,
• NMI – Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen,
• Multi Channel Systems GmbH (MCS),
• Foresee Biosystems (FBS).

Więcej informacji o projekcie HEARTCORE: https://www.heartcore-eic-pathfinder.eu/

Źródło: Medizinische Hochschule Hannover