探索微型实验室作为评估放射性药物的动物试验的替代方法
放射性可以拯救生命。当化疗、手术或外部辐射都不能帮助对抗肿瘤时，现代医学使用所谓的放射性药物。这些放射性药物不仅能检测癌细胞，还能从内部进行有针对性的辐射破坏肿瘤。
即使在关注新药的潜在毒副作用之前，结合特性也是最重要的。他们告诉科学家这种新药是否能与目标癌细胞相互作用，以及这种相互作用有多强。因此，为了测量结合强度和与靶细胞结合的药物量，进行了结合研究。
然而，在这些物质可用于人体之前，目前还需要在其开发过程中进行广泛的动物试验。德累斯顿夫劳恩霍夫材料与光束技术研究所和德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)的一个联合项目目前正在研究一种替代方法。芯片形式的人造器官结构和肿瘤构成了这一技术的基础。
在第一次出版中，在当前生物医学工程方向，夫琅和费IWS和HZDR的研究人员详细展示了这是如何工作的。
根据联邦食品和农业部的信息，2021年，德国共有186万脊椎动物和头足类动物被用于研究目的。虽然这比前一年减少了2%，但这仍然是一个非常大的数字。德国实验室最常用的动物是老鼠、鱼和大鼠。
HZDR放射性核素诊断部门的Wiebke Sihver博士指出:“目前，许多研究任务需要这种动物实验的帮助才能解决。”她补充说，这就是为什么寻找替代选择仍然非常重要。“此外，动物模型往往缺乏对人类有机体的重要参考。”
在他们的工作中，Sihver和她的HZDR同事们关注的是用于癌症诊断的放射性标记物质的开发和应用，特别是用于治疗。这些放射性寡基用放射性核素(放射性核素)标记，并与目标分子结合;在癌症的情况下，肿瘤的特定目标结构。
因此放射性药物直接作用于肿瘤。周围的健康组织幸免。到目前为止,放射性药物在体外表征后，必须在小鼠和大鼠等动物模型上进行测试。
几年前，西弗正在寻找一种替代放射性药物研究中许多动物实验的方法。在她寻找替代系统的过程中，她很快就遇到了弗劳恩霍夫IWS，那里的一个团队一直在研究微生理系统，该系统使用培养的微型生物来模拟人类有机体的功能。这是一个新想法的起点。
发展潜力巨大
弗劳恩霍夫IWS的研究人员已经在微型实验室上工作了十多年。有了这些片盒形式的微生理系统，在细胞培养的帮助下，器官功能甚至疾病过程都可以人为地表现出来。阀门和通道模拟血管系统，一个小泵心跳。
这种芯片是由塑料薄膜层层叠加而成的。血管和腔室被激光切开。在特殊的模块中，用户随后培养细胞培养物，这些培养物可以在微流体系统中存活长达一个月。与此同时，血液在微型实验室中以营养介质的形式循环，为细胞提供氧气和营养物质。几年前，这一框架只使两个机构得以代表。
如今，在这些新型的多器官芯片上，可以同时模拟多达四个器官。当HZDR团队转向夫劳恩霍夫IWS时，那里的专家很快就意识到这种新应用的潜力。
“多器官芯片还没有用于放射性药物的开发，因此对它们有很大的需求，”小组负责人Florian Schmieder解释说，他多年来一直参与夫琅和费IWS的芯片实验室研究。这两个研究所一起成功地申请了德国联邦教育和研究部“动物试验的替代方法”的资助。这将持续到2024年，他们已经取得了初步有希望的成果。
减少动物实验的数量
这项联合研究的目标是将3D肿瘤模型放在芯片上，从而使放射性药物的测试更简单，成本更低。因此，从二维细胞培养中生成三维细胞集合体——一个可以模拟肿瘤组织的球体——是第一个挑战。Fraunhofer IWS的开发工程师Stephan Behrens解释说:“这使我们能够将微肿瘤的特性集成到我们的系统中。”
从长远来看，芯片上的这种表示应该变得越来越详细，例如通过使用患者特异性细胞或确定新发现的、可以在放射药理学上检测到的不同肿瘤细胞类型上的特征蛋白。Sihver和她的团队对多器官芯片的首次测试已经显示出积极的结果。首先，他们使用已知的物质，这些物质的性质可以很容易地在芯片上观察到。
“我们看到绑定对于肿瘤来说，球状体已经起作用了。”他们还计划在芯片上展示一个肾脏模型和一个肝脏类器官。特别是肾脏被认为是剂量限制的，因此在放射性药物研究中发挥着重要作用。“通俗地说，这意味着如果放射性配基被卡住，这可能会导致肾脏损伤，但也会导致肝细胞损伤，”科学家解释道。
因此，她说，利用芯片上的细胞培养来测试这些物质提供了一个有前途的替代方案。如果项目中的测试继续呈阳性，则在稍后阶段还将在系统中测试未知的放射性配基。
“这节省了大量的动物实验，”Sihver说。尽管他们的研究还不能完全消除动物实验在美国，研究人员正在努力减少它们的数量。作为新发展的结果，弗洛里安·施米德看到了未来患者的许多好处。“我们可以在芯片上放置患者特定的细胞，从而模拟癌症的发展过程。”
这种方法可以根据患者的需要进行个性化治疗。研究小组说:“癌症也会形成肿瘤特异性抗原，这在动物模型中不太常见。”这应该在芯片上也是可行的。
这两个研究机构之间的密切合作是一个突出的例子，说明了德累斯顿概念科学联盟的附加价值，在该联盟中，36个合作伙伴共同推动德累斯顿作为研究地点，并在研究和教学以及基础设施和管理方面创造并利用协同效应。
