ETH-forskare har kombinerat embryonala celler och leverceller i ett nytt cellodlingstest. Denna kombination låter dem upptäcka negativa effekter som nya mediciner kan ha på embryon tidigt i läkemedelsutvecklingsprocessen.

Mediciner måste vara säkra för blivande mammor och för deras ofödda barn. Innan myndigheterna kommer att godkänna ett nytt läkemedel, det måste testas i djurförsök på dräktiga gnagare och, i regel, dräktiga kaniner. Forskare vid institutionen för biosystemvetenskap och teknik vid ETH Zürich i Basel har nu utvecklat ett test som låter dem undersöka ett läkemedels embryotoxicitet i cellkulturer istället för djur.

Det nya testet ersätter ännu inte de djurförsök som krävs enligt lag som en del av läkemedelsgodkännandeprocessen. Dock, eftersom det nya förfarandet är enkelt, snabb, och billigt, forskare kommer att kunna använda den i framtiden för att testa ett stort antal läkemedelskandidater i ett tidigt skede av utvecklingsprocessen. Ämnen som är skadliga för embryon kommer alltså att upptäckas tidigt i läkemedelsutvecklingsprocessen och inte bara i embryotoxicitetsstudier i djurförsök. Eftersom de är så dyra, djurtester utförs inte förrän långt senare i läkemedelsutvecklingsprocessen med endast noggrant förutvalda potentiella läkemedelskandidater. Eftersom det nya testet rensar bort misslyckade läkemedelskandidater tidigare, det kan hjälpa till att minska kostnaderna och minska antalet djurförsök.

Cellodlingstest med stamceller

Den nya proceduren är en avancerad form av det embryonala stamcellstestet, där substanser testas in vitro på så kallade embryoidkroppar. Dessa tredimensionella klumpar av celler bildas av embryonala stamceller – i det här fallet, från en mus – och genomgår de första stadierna av embryonal utveckling under en period av tio dagar. Inga livskraftiga embryon kan produceras från dessa celler.

Leds av ETH Professor Andreas Hierlemann, forskargruppen har nu utökat detta embryonala stamcellstest till att omfatta mänsklig levervävnad. "Det finns en mängd ämnen som inte är giftiga i sin ursprungliga form, men kan omvandlas till skadliga ämnen genom människans ämnesomsättning – särskilt av levern, " förklarar Julia Boos, en doktorand i Hierlemanns grupp och huvudförfattare till studien, som har publicerats i tidskriften Avancerad vetenskap . I motsats till det konventionella embryonala stamcellstestet, det nyutvecklade testet kan upptäcka ämnen av denna typ.

Kropp på ett chip

Från början till slut, det nya testet äger rum i sin helhet på ett enda cellkulturchip, som är utrustad med olika fack. Facken innehåller mikrovävnadssfärer, bildad från mänskliga leverceller av ETH spin-off InSphero, och embryoidkroppar, odlas från musstamceller. Levermikrovävnaderna och embryoidkropparna har en diameter på cirka en halv millimeter och är placerade i olika fack, som är sammankopplade genom mikrokanaler för att garantera ett konstant vätskeutbyte mellan de olika grupperna av celler.

"Vi är de första som direkt kombinerar lever- och embryonala celler i en kropp-på-en-chip-metod, " säger Boos. Precis som en gravid kvinnas cirkulationssystem kopplar de metaboliska processerna i hennes lever med de i hennes utvecklande embryo, detta anslutna system säkerställer konstant interaktion mellan levercellerna och embryonala celler. "Metaboliter som skapas av levercellerna – inklusive metaboliter som är stabila i bara några minuter – kan alltså verka direkt på de embryonala cellerna, " säger Boos. Hon förklarar att kombinationen av de två i ett enda chip ger en förbättring jämfört med andra befintliga in vitro-tester, som undersöker metaboliseringen av ämnen i levern separat från de effekter som dessa metaboliter har på embryonala celler.

Boos fortsätter med att beskriva en annan fördel med det nya testet:"I motsats till tester på levande gravida möss, i vårt test, ämnena metaboliseras av mänskliga leverceller – med andra ord, precis som de skulle vara i människokroppen när medicinen administreras." Hon påpekar att detta är relevant, eftersom människor och möss har olika metabolism.

Vidareutveckling för test med hög genomströmning

Forskarna visade effektiviteten av det nya testet med hjälp av cyklofosfamid. Detta kemoterapeutiska läkemedel har praktiskt taget ingen effekt i sin grundläggande form, men levern omvandlar den till ett ämne som är giftigt för celler. Två tester kördes med cyklofosfamid:ett inkluderade det nyutvecklade lever/embryoidkroppstestet, och den andra involverade enbart embryoidkroppar utan levermikrovävnader. Vad dessa tester avslöjade var att en fyrfaldigt lägre koncentration av cyklofosfamid var tillräckligt för att ha en negativ effekt på utvecklingen av embryoidkropparna när levervävnad fanns i samma miljö.

Nu, forskarna behöver förfina testet ytterligare innan det kan användas i läkemedelsutveckling. De ägnar särskild uppmärksamhet åt de material som används i testet utöver hur väl procedurerna kan automatiseras. Automatisering skulle vara nödvändig om läkemedelsindustrin eller andra forskare skulle kunna använda testet i stor skala för screening med hög genomströmning av läkemedelskandidater. Dessutom, forskarna vill utveckla ett test som använder omprogrammerade mänskliga stamceller (kända som iPS-celler) istället för musstamceller. Sedan skulle de ha ett in vitro-test helt baserat på mänsklig vävnad.