ETH-onderzoekers hebben embryonale cellen en levercellen gecombineerd in een nieuwe celkweektest. Door deze combinatie kunnen ze al vroeg in het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen de nadelige effecten van nieuwe medicijnen op embryo's detecteren.

Medicijnen moeten veilig zijn voor aanstaande moeders en voor hun ongeboren kinderen. Voordat de autoriteiten een nieuw medicijn goedkeuren, het moet worden getest in dierproeven op drachtige knaagdieren en, als een regel, zwangere konijnen. Wetenschappers van de afdeling Biosystems Science and Engineering aan de ETH Zürich in Bazel hebben nu een test ontwikkeld waarmee ze de embryotoxiciteit van een medicijn in celculturen in plaats van in dieren kunnen onderzoeken.

De nieuwe test vervangt nog niet de dierproeven die wettelijk verplicht zijn als onderdeel van het medicatiegoedkeuringsproces. Echter, aangezien de nieuwe procedure eenvoudig is, snel, en goedkoop, onderzoekers kunnen het in de toekomst gebruiken om in een vroeg stadium van het ontwikkelingsproces een groot aantal kandidaat-geneesmiddelen te testen. Stoffen die schadelijk zijn voor embryo's zullen dus vroeg in het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen worden opgespoord en niet alleen in embryotoxiciteitsstudies in dierproeven. Omdat ze zo duur zijn, dierproeven worden pas veel later in het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen uitgevoerd met alleen zorgvuldig voorgeselecteerde potentiële kandidaat-geneesmiddelen. Omdat de nieuwe test eerder mislukte kandidaat-geneesmiddelen uitroeit, het kan helpen om kosten te besparen en het aantal dierproeven te verminderen.

Celkweektest met stamcellen

De nieuwe procedure is een geavanceerde vorm van de embryonale stamceltest, waarin stoffen in vitro worden getest op zogenaamde embryoïde lichamen. Deze driedimensionale klompjes cellen worden gevormd uit embryonale stamcellen – in dit geval van een muis - en ondergaan de eerste stadia van embryonale ontwikkeling gedurende een periode van tien dagen. Uit deze cellen kunnen geen levensvatbare embryo's worden geproduceerd.

Onder leiding van ETH-hoogleraar Andreas Hierlemann, de onderzoeksgroep heeft deze embryonale stamceltest nu uitgebreid met menselijk leverweefsel. "Er is een hele reeks stoffen die in hun oorspronkelijke vorm niet giftig zijn, maar kan worden omgezet in schadelijke stoffen door het menselijke metabolisme – vooral door de lever, " legt Julia Boos uit, een doctoraatsstudent in de groep van Hierlemann en hoofdauteur van de studie, die is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap . In tegenstelling tot de conventionele embryonale stamceltest, de nieuw ontwikkelde test kan dit soort stoffen detecteren.

Lichaam op een chip

Van begin tot eind, de nieuwe test vindt in zijn geheel plaats op een enkele celkweekchip, welke is voorzien van diverse vakken. De compartimenten bevatten microtissuebolletjes, gevormd uit menselijke levercellen door de ETH-spin-off InSphero, en embryoïde lichamen, gekweekt uit muizenstamcellen. De levermicroweefsels en embryoïde lichamen hebben een diameter van ongeveer een halve millimeter en zijn in verschillende compartimenten geplaatst, die via microkanalen met elkaar zijn verbonden om een ​​constante vloeistofuitwisseling tussen de verschillende groepen cellen te garanderen.

"We zijn de eersten die lever- en embryonale cellen rechtstreeks combineren in een body-on-a-chip-benadering, ', zegt Boos. Net zoals de bloedsomloop van een zwangere vrouw de stofwisselingsprocessen in haar lever verbindt met die in haar zich ontwikkelende embryo, dit verbonden systeem zorgt voor een constante interactie tussen de levercellen en embryonale cellen. "Metabolieten die door de levercellen worden aangemaakt - inclusief metabolieten die slechts enkele minuten stabiel zijn - kunnen dus direct inwerken op de embryonale cellen, " zegt Boos. Ze legt uit dat het combineren van de twee in een enkele chip een verbetering is ten opzichte van andere bestaande in vitro-tests, die de metabolisatie van stoffen in de lever onderzoeken, los van de effecten die deze metabolieten hebben op embryonale cellen.

Boos beschrijft een ander voordeel van de nieuwe test:"In tegenstelling tot tests op levende drachtige muizen, in onze proef, de stoffen worden gemetaboliseerd door menselijke levercellen – met andere woorden, net zoals ze in het menselijk lichaam zouden zijn wanneer de medicatie wordt toegediend." Ze wijst erop dat dit relevant is, aangezien mensen en muizen verschillende stofwisselingsprocessen hebben.

Verdere ontwikkeling voor testen met hoge doorvoer

De onderzoekers toonden de effectiviteit van de nieuwe test aan met behulp van cyclofosfamide. Dit chemotherapeuticum heeft vrijwel geen effect in zijn basisvorm, maar de lever zet het om in een stof die giftig is voor cellen. Er zijn twee tests uitgevoerd met cyclofosfamide:één omvatte de nieuw ontwikkelde lever-/embryoïde lichaamstest, en de andere betrof alleen embryoïde lichamen zonder levermicroweefsels. Uit deze tests bleek dat een viervoudig lagere concentratie cyclofosfamide voldoende was om een ​​nadelig effect te hebben op de ontwikkeling van de embryoïde lichamen wanneer leverweefsel in dezelfde omgeving aanwezig was.

Nutsvoorzieningen, de wetenschappers moeten de test verder verfijnen voordat deze kan worden toegepast bij de ontwikkeling van geneesmiddelen. Ze letten vooral op de materialen die in de test worden gebruikt en hoe goed de procedures kunnen worden geautomatiseerd. Automatisering zou nodig zijn als de farmaceutische industrie of andere onderzoekers de test op grote schaal zouden kunnen inzetten voor high-throughput screening van kandidaat-geneesmiddelen. In aanvulling, de wetenschappers willen een test ontwikkelen die geherprogrammeerde menselijke stamcellen (bekend als iPS-cellen) gebruikt in plaats van muisstamcellen. Dan zouden ze een in vitro test hebben die volledig gebaseerd is op menselijk weefsel.