28 декабря 2012, 16:28

Человек на чипе

Нomunculus для доклинических исследований

Дмитрий Сахаров. Фото из личного архива. /

Автор:

7 минут

1472

В Германии в настоящее время проходит эксперимент с российским участием, по результатам которого станет ясно, смогут ли лабораторные животные в испытаниях новых лекарственных средств быть заменены устройством, воспроизводящим функции организма человека. Идея такой замены носится в воздухе, а связано это с тем, что существующие протоколы тестирования потенциальных лекарств на клеточных культурах и животных имеют ряд ограничений, среди них не на последнем месте дороговизна и невысокая предсказательная сила. Сейчас во всем мире, в том числе и в России, разрабатывается альтернативный подход – доклинические испытания в микробиореакторе. Такой "имитатор" организма под названием "Гомункулус" (Homunculus, человечек –лат.) создается в Московском Научно-техническом центре БиоКлиникум. О возможностях микробиореактора МедНовостям рассказал генеральный директор БиоКлиникума Дмитрий Сахаров.

До недавних пор существовало два основных подхода к доклиническим испытаниям: клеточные технологии и испытания на животных. В настоящее время все лекарственные средства сначала проходят испытания на клеточных культурах, далее - на животных, и только после этого на человеке.

В чем недостаток клеточных технологий? Все-таки они дают несистемный ответ. Тестируют только один или в лучшем случае два типа клеток одновременно и смотрят, как эти клетки реагируют на лекарственные вещества — оценивают токсичность, в некоторых случаях - снижение пролиферативной активности, влияние на дифференциацию, другие факторы.

Второй поход - это испытания на животных. Да, у животных ответ системный. Если мы вводим какое-то вещество, скажем, перорально, оно попадает сначала в кишечник, всасывается через стенки кишечника, как-то перерабатывается, потом попадает в кровоток, после этого попадает в печень, где подвергается действию ферментов печени. Идет метаболизм, и могут образоваться токсичные продукты. Но здесь проблема в том, что вещества, которые успешно испытывают на животных, работают на человеке не всегда. Исходно начинают с большого числа веществ, первую стадию проходят 10 процентов, дальше остается один процент, и в конце концов из 10 тысяч кандидатных препаратов на рынок выходит одно вещество. В результате испытания на животных обходятся очень дорого. Известно, что сейчас вывести вещество на рынок стоит несколько миллиардов долларов, а от начала испытаний до выхода вещества в качестве лекарственного препарата проходит до 15-20 лет.

Александр Тоневицкий. Фото с сайта РАН.

Член-корреспондент РАН, д.б.н. Александр Тоневицкий, научный руководитель БиоКлиникума: Этот переход от животных к человеку — он самый тяжелый, самый дорогой, самый сложный, потому что лекарства становятся все сложнее и сложнее, это уже не просто химически простые молекулы, они все более и более специфические. И угадать, что точно не будет осложнений, нелегко. Мы сейчас разрабатываем разные технологии, чтобы Минздрав мог рекомендовать микробиореактор "Гомункулус" (может быть, пока параллельно) для испытаний тех или иных препаратов, сравнивая с животными.

В чем преимущество микробиореактора? Это платформа, на базе которой можно исследовать воздействие различных веществ на модели органов человека. Мы можем одновременно использовать несколько моделей - кожи, печени, нейрональной ткани, кишечника, почки, моделируя таким образом систему.
Мы создаем модели органов. Первый подход — из клеточных линий, которые стандартизованы и одинаковы во всех лабораториях мира, второй — из материала биопсии, которую получают от конкретного пациента.

Александр Русанов. Фото НТЦ БиоКлиникум.

Старший научный сотрудник БиоКлиникума Александр Русанов: первое направление — это токсикологические исследования, то есть тестирование лекарственных, косметических препаратов. Мы можем наносить вещество на модель кожи, смотреть, как оно проникает через кожу, не исключено, при этом оно как-то изменится. В коже есть свои системы ферментов, которые могут метаболизировать эти вещества. Потом вещество попадает в кровоток и только после этого попадет в модель печени. То есть, мы не просто добавляем это вещество к модели печени, а только после того, как оно уже проникло через кожу. Или не проникло. И тогда непонятно, зачем смотреть его токсичность для печени, если таким путём это вещество до неё не доберётся. Если же вещество проникает, то потенциально может быть токсично. Микробиореактор "Гомункулус" позволяет следить также за развитием хронической токсичности. Для испытания хронической токсичности есть определенный срок, заданный европейскими стандартами – 28 дней. И мы стремимся к тому, чтобы в нашем микробиореакторе клеточные модели культивировались в течение 28 дней. Всё, что для этого нужно – лишь периодически менять питательную среду.

Вы анализируете жидкости на выходе из биореактора?

Да, во-первых, это анализ культуральной среды. Если клетки у нас разрушаются, то высвобождаются различные внутриклеточные ферменты, может измениться концентрация метаболитов, например, появиться лактат (важный показатель кислотно-основного состояния организма – М.А.), может развиться гипоксия, начаться изменения в цикле гликолиза, и т.д. Другое дело, что мы можем извлечь клеточные модели из микробиореактора и проанализировать геном, транскриптом или протеом, выяснить, как изменилась экспрессия генов, как изменилось содержание каких-то ключевых белков. Может быть, все клетки остались живы, но они существенно поменяли свои функции. Или, например, клетки печени трансформировались, образовалась жировая ткань. Все это можно увидеть.
Мы можем одновременно сделать большое число моделей, и нет никакой потребности в животных. Здесь у нас 20 чипов, в которых культивируются клеточные модели, мы анализируем их через день, через 5 дней, через 28 дней, и уже сейчас можно испытывать различные лекарства.

Микробиореактор Homunculus. Фото НТЦ БиоКлиникум.

То есть речь идет не об одном чипе, а о наборе?

К каждому прибору-контрольному блоку можно подключить до четырех чипов. Можно использовать, например 10 приборов, то есть 40 чипов, и одновременно смотреть воздействие разных препаратов, варьируя при этом концентрацию и время экспозиции.

Второе направление— это использование микробиореактора для персонализированной медицины.

Для этого вы анализируете в Гомункулусе материал биопсии?

Да. Вот, например, есть пять типов рака молочной железы, их лечат разными лекарствами. Узнать эти типы не всегда представляется возможным, и лекарство может не подействовать. Зачем мучить человека, если мы можем взять пять кусочков биопсии и посмотреть действие пяти лекарств или больше, оценить, какое из них лечит, и конкретно этим лекарством проводить терапию. То есть не брать лекарство, которое, то ли будет работать, то ли нет.

Александр Тоневицкий: в год у нас 50 тысяч женщин диагностируются с раком молочной железы. Наш опыт общения с клиницистами за эти два-три года показал, что, несмотря на высокую квалификацию врачей, излечиваются далеко не все. Условно говоря, у 15 процентов — очень плохой прогноз, у 15 процентов — хороший, и 70 процентов — "серая зона". Есть типы опухолей гормон-чувствительные и гормон-нечувствительные. И вот появляется новый препарат, в частности, антитело герцептин. Россия его закупает на 800 миллионов рублей. Примерно треть больных получает то, что надо, но двум третям больных он не нужен, и это, к сожалению, выброшенные деньги. Но если заранее правильно подобрать стратегию, то, главное, можно увеличить число тех людей, кто получит правильное назначение. Мы научились работать с малым количеством раковых клеток, образцами, полученными игольчатой биопсией. Культивируя их несколько дней в микробиореакторе и воздействуя на эту культуру лекарством, можно получить информацию об отклике транскриптома на применяемую терапию. И это ничего не стоит. В нашем микробиореакторе одноразовый чип стоит около 100 долларов. По сравнению с тем огромным количеством денег, которые будут потрачены потом, это ничто. Чип разовый. Нужен блок управления, но это тоже не очень дорогой отечественный прибор. Таким образом шанс, что это все будет доведено до клиники, очень важен.

Когда зародилась идея микробиореактора?

В 90-е годы. В середине 2000-х этим начал заниматься в Германии наш коллега и партнер Уве Маркс (Uwe Marx) из Технического Университета в Берлине, он дипломник научного руководителя БиоКлиникума Александра Григорьевича Тоневицкого, с которым не прерывал дружеских и профессиональных связей.

Главный инженер БиоКлиникума Евгений Трушкин: в Германии делали чипы, но была проблема с электроникой. У нас здесь есть группа инженеров, которые собирают блоки управления, которые регулируют работу микробиореактора, в том числе скорость прокачивания среды. Мы вошли в проект как коллабораторы, но оказалось, что наши приборы лучше, чем те, что производят немцы.

Сейчас там идет большой эксперимент. Они хотят провести сравнение микробиореактора с мышами. Задействовано 40 чипов, 40 моделей и 40 мышей. Задача эксперимента – в условиях культивирования в микробиореакторе исследовать воздействие на клеточные модели органов некоего вещества, и сравнить результаты с экспериментом на мышах.

Блок управления. Фото НТЦ БиоКлиникум.

Какие препараты будут задействованы в этом берлинском эксперименте?

Я точно знаю про один, препарат троглитазон, который применялся для лечения больных диабетом людей и был выведен с рынка, потому что он потенциально гепатотоксичен. Его даже уже испытывали в микробиореакторе, на модели кожи и печени. На кожу он не доложен влиять, а в печени, как показали первые трехдневные наблюдения, увеличивается число апоптотических клеток, изменяется экспрессия разных генов. Вроде бы, да, на печень действительно влияет. Но то были первичные эксперименты А сейчас они хотят запустить длительный эксперимент на месяц.

Можно ли говорить, что какие-то лекарства-кандидаты вышли на рынок или по крайней мере приблизились к клиническим испытаниям благодаря этой системе?

Пока нет. Но отмечу, что два года назад в Европе запретили некоторые виды испытаний на животных. В таком случае, в распоряжении испытателей новых веществ остается только клеточная модель. Как я говорил, клетки дают несистемный ответ. Я и многие другие уверены в том, что микробиореакторы будут заменой мышам, потому что это и клетки человека, не мышиные, и системный ответ, и можно смотреть сразу на нескольких моделях.
В Европе уже запретили некоторые виды тестирования на животных. В России, наверное, запретят, но позднее. Мы все равно смотрим на Европу, и экологи, и "зеленые" — все здесь присутствуют.

В Америке вообще есть специальный штат людей в биомедицинских институтах, которые контролируют ход испытаний, дабы животные не страдали чрезмерно.

В Америке, кстати, было отставание в этой области, по микробиореакторам. Но в середине 2012 года на это были выделены очень большие деньги и DARPA, и NIH, и они срочно пытаются догнать нас. Пока на полшага сзади, но, по-видимому, догонят. Мы разрабатываем свои системы, они - свои.

Евгений Трушкин: микробиореактор состоит из двух модулей. Первый - одноразовый клеточный блок, в котором происходит культивирование клеток и расположены ключевые датчики для определения их физиологического и функционального состояния. Второй - блок управления, осуществляющий поддержку и регуляцию параметров клеточного блока (температуры, скорости и пути циркуляции питательной среды), а также первичную обработку сигналов от сенсоров, расположенных в сменном клеточном блоке (определение концентрации ключевых клеточных метаболитов). Блок управления будет иметь возможность подключения к персональному компьютеру, на котором с помощью специально разработанного программного обеспечения будет осуществляться управление микробиореактором, а также анализ и интерпретация данных, полученных в процессе культивирования клеток и определения их основных параметров.