Silicio jūrų kiaulytė

Iš pirmo žvilgsnio Michaelo Shulerio lustas gali būti tinkamas bet kokiai mažai silicio plokštei, ištrauktai iš kompiuterio ar mobiliojo telefono. Dėl to Kornelio universiteto mokslininkų laboratorijoje jis atrodo dar labiau netinkamas, apsuptas Petri lėkštelių, stiklinių ir kitokios biologinės netvarkos ir sumontuotas plastikiniame dėkle kaip išpjaustyta pelė. Atrodo, kad lustas yra ant tam tikros gyvybės palaikymo priemonės, o į ją vamzdeliais pumpuojamas rausvas skystis. Šuleris pieštuku metodiškai nurodo lusto komponentus: čia kepenys, čia jau plaučiai, tai riebalai. Tada jis suleidžia eksperimentinį vaistą į imitacinį kraują, tekantį per šiuos organus ir audinius – iš tikrųjų mažyčius besisukančių vamzdelių ir kamerų labirintus, išklotus gyvomis ląstelėmis. Junginys reaguos su kitomis cheminėmis medžiagomis, kaupsis kai kuriuose organuose ir greitai praeis per kitus. Po kelių valandų Šuleris ir jo komanda bus arčiau atsakymo į pagrindinį klausimą: ar junginys, duodamas tikram žmogui, gali padaryti daugiau žalos nei naudos?

Šis vadinamasis gyvūnas mikroschemoje buvo sukurtas tam, kad padėtų įveikti didžiulę kliūtį ieškant naujų vaistų: šiuo metu nėra greito ir patikimo būdo nuspėti, ar eksperimentinis junginys turės toksinį šalutinį poveikį – ar dėl jo žmonės susirgs, o ne darys. jiems gerai. Bandymai su gyvūnais yra geriausia, ką gali padaryti vaistų gamintojai, tačiau jie yra lėti, brangūs, dažnai netikslūs ir daugeliui nepriimtini. Siekdamos sumažinti bandymų su gyvūnais skaičių, vaistų kompanijos reguliariai tikrina kandidatus į vaistus, naudodamos ląstelių kultūras – iš esmės gyvų žmogaus ar gyvūnų ląstelių, augančių Petri lėkštelėse arba mėgintuvėliuose, sankaupas. Šis metodas yra palyginti pigus ir lengvas, tačiau jis leidžia tik miglotai nuspėti, kas nutiks junginiui keliaujant per gyvūno audinius ir organus.

Ši istorija buvo mūsų 2004 m. birželio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Shuleris yra vienas iš kelių tyrėjų, kurie kuria sudėtingesnes ląstelių kultūras, imituojančias sudėtingus kūno organus ir audinius. MIT audinių inžinierius Linda Griffith sukūrė lustą, imituojantį kai kurias kepenų funkcijas, o Shuichi Takayama, biomedicinos inžinierius iš Mičigano universiteto, sukūrė lustą, imituojantį kraujagyslių sistemos elgesį. (žr. „Kiti gyvūnai ant lusto pastangos“ žemiau). Tačiau nors tokios pastangos davė įtikinamų žmonių ar gyvūnų kūnų dalių analogų, Shuleris žengė žingsnį toliau. Bendradarbiaudamas su kolega Gregu Baxteriu, kuris paleido Beverly Hills, Kalifornijoje įsikūrusią Hurel, siekdamas komercializuoti technologiją, Shuler sujungė kelių gyvūnų organų kopijas viename luste, sukurdamas grubų viso žinduolio atstumą. Kitos Shuler lustų versijos bando eiti dar toliau, naudodamos žmogaus ląsteles, kad tiksliau atkartotų junginio poveikį organizme.

Vaistų kompanijos domisi ir nenuostabu: jos reguliariai gamina tūkstančius, net dešimtis tūkstančių junginių, tikėdamosi rasti tokį, kuris būtų veiksmingas prieš konkretų taikinį. Tokie lustai kaip „Shuler“ ir „Baxter’s“ gali reikšti pigų, greitą ir tikslų būdą atsikratyti junginių, kurie ilgainiui taptų toksiški, sutaupydami įmonės ilgus metus ir milijonus dolerių kuriant beverčius vaistus. Remiantis naujausiu Tuftso universiteto Vaistų kūrimo tyrimų centro tyrimu, kiekvienam rinkai pasiekusiam vaistui vaistų pramonė išleidžia vidutiniškai 467 mln. jie nėra veiksmingi arba todėl, kad yra toksiški. Jei būtų galima nustatyti daugiau gedimų prieš pradedant bandymus su gyvūnais, įmonės galėtų skirti daugiau laiko ir pinigų laimėtojams. Visi pramonės atstovai tikisi turėti pakaitalų gyvūnams ir žmonėms, kai reikia tirti junginius, sako Jackas Reynoldsas, didžiausios pasaulyje farmacijos įmonės Pfizer saugos mokslų vadovas. Tokios technologijos norėtume savo įrankių dėžėje.

KITOS GYVŪNŲ PASTANGOS
Projekto vadovas	Grupė	Technologijos
Dawn Applegate	RegeneMed (San Diegas, Kalifornija)	Žmogaus kepenų audiniu iškloti lustai skirti vaistų patikrai
Linda Griffith	SU (Kembridžas, MA)	Kepenys ant lusto narkotikų patikrai
Paulius Kosnikas	Audinių genezė (Honolulu, HI)	Lustai su kraujagyslių ir raiščių ląstelėmis audinių pakeitimui vystyti
Shuichi Takayama	Mičigano universitetas (Ann Arbor, MI)	Ląstelių kultūros lustai su kanalais, imituojančiais kraujagyslių sistemą
Viljamas Vangas	Pharmacom (Ajova Sitis, IA)	Vaistų patikros lustai, kuriuose bus smegenų ir kitų organų ląstelės

Nuodų tabletės

Vaistų kūrėjų įrankių dėžėse jau yra daugybė paprastų ląstelių kultūros testų, kuriais siekiama greitai numatyti, kurie būsimi vaistai turės toksinį šalutinį poveikį. Šių testų problema yra ta, kad jie dažnai taip pat paprastas. Tipiškas scenarijus: mokslininkai išpurškia tirpalo, kuriame yra eksperimentinio vaisto, į Petri lėkštes, kur gyvos ląstelės, surinktos iš žiurkės plaučių, plūduriuoja maistinių medžiagų turinčiame sultinyje. Jei ląstelės miršta, tyrėjai pateikia junginį ir bando kitą; jei ląstelės išgyvena, jos pradeda ilgą ir brangų junginio bandymo su pelėmis, žiurkėmis ir kitais gyvūnais procesą. Tačiau junginio nesugebėjimas nužudyti plaučių ląsteles mažai užtikrina, kad žmonės nesusirgs.

Kai žmogus vartoja vaistą, jo veiklioji medžiaga eina į laukinį žygį, kad patektų į tikslines ląsteles: ji gali būti absorbuojama žarnyne, suskaidoma kepenų fermentų, savaites kaupiama riebalų ląstelėse, ištrinta smegenys. membrana, o per visą išbandymą vėl ir vėl sukosi krauju. Kai taip atsitinka, tam tikrame organe gali kauptis kitaip nekenksmingas junginys, kol pasieks toksišką lygį. Arba jis gali būti visiškai paverstas kitu junginiu, kuris pats yra toksiškas. Pfizer Reynoldsas apskaičiavo, kad maždaug 40 procentų vaistų, kurie galiausiai pasirodė nesaugūs, įgyja toksiškumą po to, kai organizme virsta kitais junginiais.

Viena iš priežasčių, kodėl įprastiniai ląstelių kultūros testai dažnai klaidina tyrėjus, yra ta, kad jie nepateikia sudėtingo fermentų ir kitų cheminių medžiagų, su kuriomis vaistas gali susidurti ir reaguoti įvairiuose kūno audiniuose. Ir paprastos ląstelių kultūros neatskleidžia, kiek vaisto iš tikrųjų patenka į skirtingų tipų ląsteles, kokia forma ir kiek laiko. Iš tiesų, beveik pusė vaistų, kurie atrodo saugūs atliekant ląstelių kultūros tyrimus, yra toksiški atliekant bandymus su gyvūnais; ir dar daugiau žlunga, kai susiduria su sudėtingais žmogaus audiniais ir organais. Tačiau mokslininkai tikisi, kad ląstelių kultūros, kurios geriau imituoja organizmo sąlygas, atliks daug geresnį darbą aptikdamos toksiškus vaistus ir sumažins priklausomybę nuo bandymų su gyvūnais ir žmonėmis. Pramonės šventasis gralis yra gebėjimas numatyti ląstelių kultūros toksiškumą, sako Peteris Lordas, Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development ikiklinikinės plėtros mechaninės toksikologijos vadovas.

Mažoji santechnika

Michaelas Shuleris yra 57 metų, lieknas chemijos inžinerijos profesorius, kuris nuo pat vidurinės mokyklos laikų domėjosi biologiniais procesais. Iki 1989 m. jis susidomėjo toksiškumo tyrimais ir galvojo apie įprastų ląstelių kultūrų nepatikimumą, kai jam kilo mintis: ar galėtumėte sukurti ląstelių kultūrą, kuri atkartotų kelionę per įvairius organus? Jis pripažino, kad tai yra chemijos inžinerijos problema: stiklo kameros, išklotos skirtingų tipų ląstelėmis ir vamzdeliais sujungtos viena su kita ir prie siurblio, siunčiančio per jas skystį, daug tikroviškiau imituotų kūną, o bandymai su jomis galėtų numatyti, kas atsitiks. gyvuose gyvūnuose daug tiksliau.

Po kelių mėnesių Shuleris ir studentai sukonstravo ląstelių ir vandentiekio sankaupą ant stalo, pateikdami neapdorotą žinduolių organų rinkinio veikimo modelį. Jis tarsi veikė, bet Shuleris žinojo, kad yra didelė problema, susijusi su jo ištikimybe: beveik visa chemija organizme vyksta audiniuose, užpildytuose nedideliais kanalais ir kameromis, kur kritinės reakcijos priklauso nuo įvairių cheminių medžiagų gebėjimo susikoncentruoti vietose ir pasklinda kitose, iš dalies priklausomai nuo mikroskopinės geografijos. Viską sumaišius didelėse stiklinėse būtų iškreipta ši subtili pusiausvyra. Be to, tokio dydžio sistema nebūtų praktiška ar pakankamai pigi didelio masto bandymams.

Tuo tarpu molekulinis biologas Gregas Baxteris ką tik prisijungė prie Kornelio nanobiotechnologijų centro kaip mokslininkas. Jo specialybė buvo mikrofluidika – iš esmės mikroskopinė santechnika ant lusto. Antrą dieną jis užsisegė Šulerį savo laboratorijoje ir domėjosi, ar jis turi kokių nors projektų, kuriems būtų naudinga ultraminiatiūrizacija. Juokinga, kad turėtum paklausti, pasakė Šuleris.

Prireikė vos dviejų susitikimų, kad būtų sukurtas pagrindinis lusto dizainas, ir metų, kad būtų pagamintas pirmasis prototipas. Norėdami sukurti vieną iš prietaisų, mokslininkai į miniatiūros dydžio silicio lustą išdrožė nedidelius griovius, kurie atrodo kaip silpni įbrėžimai; šios tranšėjos tarnauja kaip skysčius pernešantys vamzdžiai. Mikrofluidinių savybių kūrimas ant lustų, skirtų cheminėms reakcijoms tirti ir biologiniams procesams imituoti, nėra naujiena. Tačiau sujungę savo chemijos inžinerijos ir mikrogamybos įgūdžius, Shuleris ir Baxteris įneša reikšmingą posūkį: jie sukūrė visų tranšėjų dydžius, ilgius ir išdėstymą, siekdami glaudžiai dubliuoti skysčių srautus ir cheminių medžiagų poveikį, kuriuos patiria ląstelės. tikri organai.

Tranšėjos veikia kaip surogatinės kraujagyslės, pernešančios chemines medžiagas lusto erzacinių organų viduje ir tarp jų, kurie patys yra sudaryti iš griovių, kurie yra sandariai susukti į spiralę arba sulipę į tankius maždaug pusės centimetro pločio krešulius. Tūkstančiai gyvų ląstelių yra pritvirtintos prie kiekvieno organo tranšėjos grindų. Plytos dydžio išorinis siurblys per lustą cirkuliuoja maistinių medžiagų turintį skystį, kuris yra kraujo rezervuaras. Kai į skystį pridedamas bandomasis junginys, jo silicio kelias yra maždaug analogiškas gyvam žinduoliui, nes 13 metų kinta dėl kiekvieno organo dydžio, modelio ir jungčių, taip pat su organų dydžiais ir formomis. įvairios tranšėjos. Mes norėjome, kad ląstelių aplinka būtų kuo tikroviškesnė, pradedant maistinių medžiagų tiekimu ir atliekų pašalinimu iki mechaninių įtempimų, kuriuos ji patiria, sako Shuler.

Kai bandomasis junginys kelias valandas cirkuliuoja per lustą, mikroskopu arba įtaisytaisiais jutikliais, kurie gali patikrinti deguonį ir kitus rodiklius, stebimos lusto ląstelės. Ar ląstelės sugeria junginį? Ar tai juos serga ar žudo? Kaip ir tikrame gyvūne, kiekvienas organas ar audinys atlieka tam tikrą vaidmenį mikroschemoje. Pavyzdžiui, kepenys ir žarnynas kai kuriuos junginius suskaido į mažesnes molekules, o riebalai, sustingę ne tik su ląstelėmis, bet ir su kempinės pavidalo geliu, dažnai sulaiko junginius, leidžiančius jiems vėliau ištekėti. Paprastai įtraukiamas tikslinis organas arba audinys, kad būtų parodytas galutinis junginio poveikis; tai gali būti vėžinis navikas arba ypač pažeidžiamas audinys, pavyzdžiui, plaučių ar kaulų čiulpai.

Žinoma, lustai turės būti nuodugniai išbandyti, kad vaistų firmos juos plačiai naudotų. Vis dėlto ankstyvieji ženklai teikia vilčių. Shuleris atliko vieną eksperimentą su naftalenu, junginiu, naudojamu naftalinuose ir pesticiduose. Pernelyg didelis poveikis sukelia plaučių pažeidimą, bet jūs to nežinotumėte iš standartinių ląstelių kultūros tyrimų. Taip yra todėl, kad kaltininkas yra ne pats naftalenas, o dvi cheminės medžiagos, kurias gamina kepenys, kai jos skaido naftaleną. Jei tai žinotumėte ir tuos šalutinius produktus aptaškytumėte tiesiai ant kultūros plaučių ląstelių, pastebėtumėte tokį stiprų atsaką, kad manytumėte, kad net nedidelis naftalino poveikis yra labai pavojingas. Bet tai irgi negerai; Kaip paaiškėjo, riebalų ląstelės ištraukia daug toksiškų junginių iš sistemos. „Shuler“ lustas įtikinamai imituoja šią įvykių grandinę ir pateikia tikrovišką žalos matą.

Toks tikslus modeliavimas žada padėti vaistų kompanijoms pagerinti kandidatų į vaistus atranką ir sugaišti mažiau laiko bei pinigų tiems, kuriems galiausiai nepavyks atlikti bandymų su gyvūnais. Pasak Baxterio, lustai yra paruošti tokiai programai šiuo metu, o šešios didelės įmonės šiuo metu kalbasi su Hurel apie šios technologijos pritaikymą. Shuler, padedamas studentų ir bendradarbių iš Kornelio ir kitur, dirba toliau mažindamas ir automatizuodamas technologiją. Tikslas: popieriaus lapo dydžio 96 lustų bankas, prijungiamas prie robotizuotos laboratorijos sąrankos, kuri labai greitai prideda bandomuosius vaistus ir stebi rezultatus. Sistema galėtų ne tik pakeisti įprastas ląstelių kultūras, bet ir sumažinti priklausomybę nuo eksperimentų su gyvūnais, kurių metu mokslininkai turi naudoti daug gyvūnų, kad išbandytų skirtingas vaisto dozes, ir laikui bėgant turi stebėti tuos gyvūnus, kad pastebėtų subtilų šalutinį poveikį. Mes kalbame apie bandymo atlikimą per vieną ar dvi dienas, o tai užtruks mėnesius su gyvūnais, sako Shuler. Shuler prognozuoja, kad vieno lusto gamybos kaina su ląstelėmis yra apie 50 USD, palyginti su šimtais ar net tūkstančiais dolerių, kurių reikia norint įsigyti ir išlaikyti vieną laboratorinį gyvūną.

Žmogaus rūšis

Lustai, atkartojantys gyvūnų funkcionavimą, greičiausiai bus pirmosios technologijos versijos, darančios komercinį poveikį. Tačiau tikimasi, kad kai tik paaiškės, kad jie tiksliai prognozuoja bandymų su gyvūnais rezultatus, „žmogus ant lusto“ versijos puikiai parodys, koks toksiškas vaistas gali pasirodyti atliekant bandymus su žmonėmis.

Bandymai su gyvūnais dabar atlieka tą vaidmenį, bet ne itin gerai. Keturi iš penkių vaistų, kuriuos galima naudoti atliekant bandymus su gyvūnais, galiausiai žlunga klinikiniuose tyrimuose su žmonėmis, dažniausiai dėl saugumo problemų. Dalis problemos yra ta, kad pelės negali pasakyti, kad turi galvos skausmą, neryškų matymą ar skrandžio spazmus. Tačiau didesnė problema yra ta, kad gyvūnų organai ir juose vykstantys procesai nėra identiški žmonių organams. Niekas nežino, kiek vaistų, kurie būtų saugūs žmonėms, buvo palikta lentynose, nes jie susargdino kai kuriuos gyvūnus. (Pavyzdžiui, penicilinas yra toksiškas jūrų kiaulytėms, bet, laimei, buvo išbandytas ir su pelėmis.)

Lustai, kuriuose yra imituotų žmogaus audinių ir organų, taip pat leistų tyrėjams parengti sudėtingas kelių vaistų schemas, skirtas įvairioms ligoms gydyti, nepakenkiant pacientams kankinantiems bandymų ir klaidų ratams. Pavyzdžiui, Shuleris nusiteikęs nuo vėžio kokteilių. Jis į savo lustus įtraukia žmogaus ląsteles iš gimdos ar storosios žarnos navikų, sukurdamas tikroviškesnį tam tikros rūšies vėžio modelį. Tada jis gali išbandyti įvairių chemoterapinių vaistų derinių gebėjimą sunaikinti ląsteles, nesukeliant ligos likusios sistemos. Norėdami rasti gerą kombinuotą gydymą, turite atlikti daugybę testų, kad nustatytumėte tinkamas dozes ir vaistų skyrimo tvarką, – aiškina jis. Tai yra problema, kurią galime išspręsti naudodami šią technologiją.

Nei Baxteris, nei Shuleris netvirtina, kad gyvūnas ant lusto yra kokia nors panacėja nuo sudėtingo ir labai sudėtingo vaistų kūrimo proceso. Viena vertus, lustai vis dar turi įrodyti didelio masto bandymais, kad jie tikrai atlieka geresnį darbą nei įprastos ląstelių kultūros, numatančios toksiškumą. Bet jei jų dydis padidės, tabletės, kurias vartosite po dešimties metų, gali būti labai geros dėl silicio laboratorinės žiurkės aukų.

paslėpti