Veel nieuwe kandidaat-geneesmiddelen falen uiteindelijk omdat ze in klinische onderzoeken ernstige bijwerkingen veroorzaken, ook al zijn laboratoriumtests met celculturen succesvol geweest. Dit komt vaak voor als de gebruikte cellen bijvoorbeeld uit dierlijk weefsel komen.

Speciaal geprepareerde celculturen gemaakt van menselijk weefsel, bekend als door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPS), zorgen voor een grotere betrouwbaarheid bij het testen, waardoor ook de kans groter wordt dat een medicijn wordt goedgekeurd.

Fraunhofer-onderzoekers hebben innovatieve oplossingen ontwikkeld voor een geoptimaliseerde productie van cellen in bioreactoren en unieke cryotechnologieën. Dit maakt de weg vrij voor efficiënt gebruik in de praktijk van deze celculturen bij het testen van toxiciteit en het ontdekken van geneesmiddelen.

Onderzoekers worden met een dilemma geconfronteerd als deelnemers ernstige bijwerkingen ervaren tijdens klinische onderzoeken om nieuwe actieve ingrediënten te testen. Vaak betekent dit dat de ontwikkeling van een veelbelovend kandidaat-medicijn wordt stopgezet, waardoor het medicijn nooit op de markt komt.

Een van de hoofdoorzaken is dat kandidaat-geneesmiddelen doorgaans worden getest met behulp van in vitro celcultuurmodellen op basis van dierlijke cellen of eerst op dieren. In beide gevallen zijn er grenzen aan hoe goed de testresultaten zich vertalen naar menselijke proefpersonen. Dat betekent dat het risico bestaat dat proefdeelnemers plotseling ondraaglijke bijwerkingen krijgen.

Medische onderzoekers hebben hoge verwachtingen van wat bekend staat als door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPS). Deze cellen zijn afkomstig uit menselijk weefsel en vormen dus een veel nauwkeurigere basis om te bepalen hoe stoffen bij mensen zullen werken dan conventionele tests.

De cellen worden uit menselijk huidweefsel of uit een bloedmonster gehaald en ondergaan vervolgens in het laboratorium een ​​speciale herprogrammeringsprocedure. Daarna zijn ze niet langer geprogrammeerd voor één type weefsel, daarom worden ze 'pluripotent' genoemd.

Voor medicijntestdoeleinden kunnen de hiPS-cellen vervolgens opnieuw worden gedifferentieerd tot vrijwel elk type cel dat in het menselijk lichaam wordt aangetroffen. Dit verlaagt aanzienlijk het risico op ongewenste bijwerkingen die optreden in daaropvolgende klinische onderzoeken bij mensen.

Bioreactoren voor opgeschaalde celproductie

De cellen die nodig zijn voor de tests worden geproduceerd in bioreactoren. Een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Julia Neubauer, hoofd van de afdeling Cryo &Stem Cell Technologies van het Fraunhofer Instituut voor Biomedische Technologie IBMT, heeft nu een aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het vermenigvuldigen en differentiëren van hiPS-cellen in een bioreactor.

"Het is nu voor het eerst mogelijk om het proces op te schalen, zodat in korte tijd grote hoeveelheden functionele cellen worden gecreëerd", zegt Neubauer.

De uitdaging voor de Fraunhofer-wetenschappers die deelnamen aan het gezamenlijke R2U-Tox-Assay-project was om erachter te komen hoe de omgevingsomstandigheden die van nature in het menselijk lichaam voorkomen het beste in een bioreactor kunnen worden nagebootst, zodat de cellen zich snel vermenigvuldigen zonder enig verlies aan functionaliteit.

“Specifiek voor de bioreactor hebben we onze eigen elastische hydrogel ontwikkeld en geproduceerd die als substraat kan dienen. De cellen voelen zich daar thuis en kunnen zich dus effectief vermenigvuldigen. Met de gekozen parameters kunnen we hoeveelheden produceren die relevant zijn voor medische testen tot wel enkele miljarden cellen", legt Neubauer uit.

De op deze manier geproduceerde celmodellen – die kunnen worden onderscheiden in weefsels zoals hartspier, huid of neuronen – kunnen vervolgens worden gebruikt in tests voor het testen van kandidaat-geneesmiddelen en het bepalen van hun toxiciteit. Een ander voordeel is dat de hiPS-cellen menselijke cellen zijn die nog steeds de genoominformatie van de donor bevatten, waardoor het mogelijk is geschikte tests te ontwikkelen met nieuwe actieve ingrediënten om ook ziekten en aandoeningen met een genetische component te behandelen.

Cryotank flitsbevriezen

Er is echter nog een ander probleem voor zowel geneesmiddelenonderzoekers als universitaire medische centra:de opslag en beschikbaarheid van celculturen. De Fraunhofer-onderzoekers zetten hun decennialange expertise op het gebied van cryopreservatie van cellen in om aan deze vraag te werken.

Fraunhofer IBMT heeft cryopreservatiemethoden ontwikkeld die nergens anders ter wereld voorkomen. Vloeibare stikstof wordt gebruikt om de celmodellen die in de bioreactor worden gekweekt binnen twee seconden af ​​te koelen van ongeveer plus 23°C tot -196°C.

De Fraunhofer-onderzoekers hebben ook een speciale celkweekplaat ontwikkeld waarmee je de cellen eerst kunt kweken en vervolgens kunt invriezen. In combinatie met het snelle invriesproces belemmeren speciale invriesmedia de vorming van ijskristallen in het celweefsel, waardoor het materiaal beschadigd en papperig wordt. "Als je ooit aardbeien thuis hebt ingevroren, zul je bekend zijn met dit ongewenste effect", zegt Neubauer.

Zij en haar team ontwikkelden een gedetailleerd cryopreservatieprotocol waarin de juiste procedure werd beschreven. Het protocol bevat parameters, zoals de koelsnelheid en de tijden die de invriesmedia nodig hebben om in werking te treden, voor de specifieke typen cellen die moeten worden bewaard. Deze methoden zorgen ervoor dat de gevoelige menselijke celculturen hun volledige functionaliteit behouden nadat ze uit de cryo-opslag zijn gehaald en vervolgens zijn ontdooid.

De gestandaardiseerde celcultuurplaten maken het mogelijk om de celculturen vrijwel onbeperkt op te slaan en te transporteren voor de high-throughput screenings die in farmaceutisch onderzoek worden gebruikt. Ziekenhuizen en farmaceutische laboratoria kunnen celculturen op voorraad houden, zodat ze altijd over de juiste cellen beschikken voor toxiciteits- en medicijntests.

Verbeterde kandidaattests voor nieuwe medicijnen

De verfijnde bioreactor- en cryoopslagconcepten maken de weg vrij voor efficiënt gebruik van hiPS-cellen in de praktijk in medisch onderzoek. Traditionele in-vitrotests met dierlijke cellen en ethisch problematische dierproeven worden beide vervangen door aanzienlijk nauwkeurigere testsystemen.

"Over het geheel genomen maken de prestaties van de R2U-Tox-Assay een efficiëntere en veiligere ontwikkeling mogelijk van kandidaat-geneesmiddelen voor de behandeling van een reeks ziekten, waaronder hart- en oogziekten en zelfs neurologische aandoeningen zoals dementie", zegt Neubauer.

Aangeboden door Fraunhofer-Gesellschaft