Många nya läkemedelskandidater misslyckas eftersom de orsakar allvarliga biverkningar i kliniska prövningar även om labbtester som involverar cellkulturer har varit framgångsrika. Detta är en vanlig företeelse om cellerna som används kommer från till exempel djurvävnad.
Speciellt preparerade cellkulturer gjorda av mänsklig vävnad som kallas humaninducerade pluripotenta stamceller (hiPS) möjliggör större tillförlitlighet vid testning och ökar därmed också chanserna att ett läkemedel kommer att godkännas.
Fraunhofer-forskare har utvecklat innovativa lösningar för optimerad produktion av celler i bioreaktorer och unik kryoteknik. Detta banar väg för effektiv verklig användning av dessa cellkulturer i toxicitetstester och läkemedelsupptäckt.
Forskare står inför ett dilemma om deltagarna upplever allvarliga biverkningar under kliniska prövningar för att testa nya aktiva ingredienser. Ofta innebär detta att utvecklingen av en lovande läkemedelskandidat kommer att stoppas, så att läkemedlet aldrig når marknaden.
En av grundorsakerna är att läkemedelskandidater vanligtvis testas med in vitro-cellodlingsmodeller baserade på djurceller eller på djur först. I båda fallen finns det gränser för hur väl testresultaten översätts till människor. Det betyder att det finns en risk att försöksdeltagare plötsligt kommer att uppleva outhärdliga biverkningar.
Medicinska forskare har stora förhoppningar på vad som kallas mänskliga inducerade pluripotenta stamceller (hiPS). Dessa celler kommer från mänsklig vävnad, så de är en mycket mer exakt grund för att bestämma hur ämnen kommer att fungera i människor än konventionella tester.
Cellerna tas från mänsklig hudvävnad eller ett blodprov och genomgår sedan en speciell omprogrammeringsprocedur i labbet. Efter det är de inte längre programmerade för en enda typ av vävnad, varför de kallas "pluripotenta."
För drogteständamål kan hiPS-cellerna sedan omdifferentieras till nästan vilken typ av cell som helst som finns i människokroppen. Detta minskar avsevärt risken för oönskade biverkningar i efterföljande kliniska prövningar på människa.
De celler som behövs för testerna produceras i bioreaktorer. Ett team av forskare under ledning av Dr. Julia Neubauer, chef för avdelningen Cryo &Stem Cell Technologies vid Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT, har nu gjort ett betydande framsteg när det gäller att multiplicera och differentiera hiPS-celler i en bioreaktor.
"Det är nu möjligt för första gången att skala upp processen så att stora mängder funktionella celler skapas på kort tid", säger Neubauer.
Utmaningen för Fraunhofer-forskarna som deltog i det gemensamma projektet R2U-Tox-Assay var att ta reda på hur man bäst kan replikera de miljöförhållanden som förekommer naturligt i människokroppen i en bioreaktor så att cellerna förökar sig snabbt utan någon förlust av funktionalitet.
"Vi utvecklade och producerade vår egen elastiska hydrogel för att fungera som ett substrat specifikt för bioreaktorn. Cellerna är precis hemma där, så de kan föröka sig effektivt. De valda parametrarna gör att vi kan producera kvantiteter som är relevanta för medicinska tester på upp till flera miljarder celler", förklarar Neubauer.
Cellmodellerna som produceras på detta sätt - som kan differentieras till vävnader som hjärtmuskel, hud eller neuroner - kan sedan användas i analyser för att testa läkemedelskandidater och bestämma deras toxicitet. En annan fördel är att hiPS-cellerna är mänskliga celler som fortfarande innehåller donatorns genominformation, vilket gör det möjligt att utveckla lämpliga tester av nya aktiva ingredienser för att behandla sjukdomar och störningar även med en genetisk komponent.
Det finns dock en annan fråga för både läkemedelsforskare och universitetsmedicinska centra:lagring och tillgänglighet av cellkulturer. Fraunhofer-forskarna lägger sin decennier av expertis inom kryokonservering av celler för att arbeta med denna fråga.
Fraunhofer IBMT har utvecklat kryokonserveringsmetoder som inte finns någon annanstans i världen. Flytande kväve används för att kyla cellmodellerna som odlas i bioreaktorn från cirka plus 23°C ner till -196° inom två sekunder.
Fraunhofer-forskarna har också utvecklat en speciell cellodlingsplatta som kan användas för att först odla cellerna och sedan frysa dem. I kombination med den snabba frysprocessen försämrar speciella frysmedier bildandet av iskristaller i cellvävnaden, vilket skulle skada materialet och göra det grötigt. "Om du någonsin har fryst jordgubbar hemma, kommer du att känna till denna oönskade effekt", säger Neubauer.
Hon och hennes team utvecklade ett detaljerat kryokonserveringsprotokoll som beskriver den korrekta proceduren. Protokollet anger parametrar, såsom kylningshastighet och de tider som frysmediet behöver träda i kraft, för att de specifika typerna av celler ska bevaras. Dessa metoder säkerställer att de känsliga mänskliga cellkulturerna kommer att behålla sin fulla funktionalitet efter att de tagits bort från kryolagringen och sedan tinats upp.
De standardiserade cellodlingsplattorna gör det möjligt att lagra och transportera cellkulturerna nästan utan begränsning för de högkapacitetsscreeningar som används inom läkemedelsforskning. Sjukhus och farmaceutiska laboratorier kan hålla cellkulturer i lager så att de alltid har rätt celler tillgängliga för toxicitet och drogtester.
De raffinerade bioreaktor- och kryolagringskoncepten banar vägen framåt för effektiv verklig användning av hiPS-celler i medicinsk forskning. Traditionella in vitro-tester som involverar djurceller och etiskt problematiska djurförsök ersätts båda av betydligt mer exakta testsystem.
"På det hela taget möjliggör prestationerna av R2U-Tox-Assay en effektivare, säker utveckling av läkemedelskandidater för att behandla en rad sjukdomar, inklusive hjärt- och ögonsjukdomar och till och med neurologiska sjukdomar som demens," säger Neubauer.
Tillhandahålls av Fraunhofer-Gesellschaft
