„Organai ant lustų“ : inovatyvios biomedicininės medžiagos leidžia atsisakyti tyrimų su gyvūnais

Viena iš pagrindinių alternatyvų, leidžiančių konstruoti žmogaus audinius imituojančius modelius ir mažinti bandymų su gyvūnais skaičių yra inovatyvios biomedicininės medžiagos, kurias sėkmingai kuria Lietuvos mokslininkai.

Inovatyvios biomedicininės medžiagos jau dabar yra naudojamos toksikologijoje, atliekant bandymus dirbtinėse sistemose (in vitro), taršos poveikio žmogui tyrimuose, pesticidų, įvairių agrocheminių medžiagų ir farmacinių preparatų bandymuose.

Trimačiai audinių modeliai – konstruktai, sukurti naudojant biomedicinines medžiagas, leidžia tiksliau imituoti žmogaus audinių struktūrą ir funkcijas. Naudojant elektroverpimo technologiją ar biospausdinimą kuriami natūralią žmogaus ar gyvūnų ląstelių mikroaplinką imituojantys konstruktai.

 
Tokio tipo konstruktai skatina ląstelių augimą ir dauginimąsi, atverdami galimybes atlikti detalesnius toksikologinius tyrimus in vitro. O tai leidžia atsisakyti gyvūnų naudojimo in vivo cheminių medžiagų toksiškumo žmogui tyrimuose.

Gali tirti kepenis, imituoti žmogaus odą

„Organai ant lustų“ – dar viena inovatyvi technologija, leidžianti kurti miniatiūrinius žmogaus organų modelius mikroskysčių sistemose.

Pavyzdžiui, „kepenų“ arba „inkstų ant lustų“ modeliai gali būti naudojami siekiant detaliai ištirti cheminių medžiagų poveikį organų funkcijoms.

Šios technologijos ne tik užtikrina aukštą tyrimų tikslumą, bet ir sumažina gyvūnų naudojimo poreikį, leisdamos atlikti reikiamus tyrimus tiesiogiai su žmogaus organų ląstelėmis. 

Bioaktyvios medžiagos, tokios kaip kolagenas ir hidrogeliai, naudojamos kuriant žmogaus audinių konstruktus, palaikančius specifines ląstelių funkcijas.

Pavyzdžiui, hidrogeliai su gyvomis žmogaus organizmo ląstelėmis gali būti pritaikyti taip, jog imituotų odos arba plaučių audinius, naudojamus atlikti kosmetikos ar oro teršalų toksikologinius tyrimus.

Tai suteikia galimybę tiksliau prognozuoti žmogaus reakcijas į įvairius cheminius junginius neatliekant bandymų su gyvūnais.

Atkartoja plaučių epitelį

Naudojant biomedicinines medžiagas ir gyvas žmogaus ląsteles, kuriami žmogaus audinių modeliai, imituojantys specifines audinių struktūras. Pavyzdžiui, žmogaus plaučių epitelio modeliai gali būti naudojami tirti ore esančių teršalų poveikį žmogaus sveikatai. 

Šie modeliai gaminami iš imituojančių natūralią plaučių audinio mikroaplinką pluoštinių konstruktų, suteikiančių ląstelėms vietą ir tinkamas sąlygas augti bei funkcionuoti kaip tikrame plaučių epitelio audinyje.

Pluoštiniai konstruktai, naudojami kuriant modelius, gali būti pagaminti iš įvairių biologiškai suderinamų medžiagų, gebančių realistiškai atkartoti natūralias audinių savybes, tokių kaip elastinas, kolagenas ir sintetiniai polimerai.

Konstruktų sandara leidžia ląstelėms prisitvirtinti ir augti, tokiu būdu formuojant trimatę audinio struktūrą, būtiną norint atlikti tikslinius ir patikimus tyrimus. 

Plaučių epitelio modeliai gali būti naudojami tirti įvairių teršalų, tokių kaip cheminės medžiagos ar nanodalelės, poveikį žmogaus sveikatai.

Šie modeliai leidžia atlikti išsamius toksikologinius ir mutageninius tyrimus, padedančius suprasti, kaip įvairios medžiagos gali paveikti plaučių funkcijas ir sukelti ligas.

Naudojant tokius modelius, galima tiksliau prognozuoti teršalų poveikį žmogaus sveikatai, kas yra ypatingai svarbu vertinant naujų cheminių junginių ir pramoninių medžiagų saugumą. 

Leistų sumažinti gyvūnų naudojimą tyrimuose

Vienas iš didžiausių pluoštinių žmogaus audinių modelių taikymo privalumų yra atsirandanti galimybė sumažinti gyvūnų naudojimo poreikį tyrimuose. 

Gyvūnų tyrimuose susiduriama ne tik su etiniais ir gyvūnų apsaugos, tačiau ir su moksliniais iššūkiais, tokiais kaip skirtinga rūšių biologija.

Bandant pritaikyti šių tyrimų rezultatus žmonėms, atskirais atvejais rūšių skirtumai nulemia netikslius rezultatus, todėl inovatyvios biomedicininės medžiagos tampa itin svarbiu mokslinių tyrimų įrankiu.

Tikimasi, kad ateityje biomedicininių medžiagų gamybos technologijų plėtra leis dar tiksliau ir plačiau taikyti audinių modelius įvairiose tyrimų srityse, nuo farmakologijos iki aplinkosaugos.

Naujos medžiagos ir jų gamybos technologijos, tokios kaip trimatis biospausdinimas, suteikia galimybę kurti vis sudėtingesnius ir funkcionalesnius audinių modelius, integruojant į juos kraujagysles ir kitus audinių komponentus.

Tai atveria naujas galimybes tiek mokslo, tiek pramonės srityse, užtikrinant aukštą tyrimų kokybę ir etiškumą.

„Oda-ant-lustų“ 

„Odos ant lustų“ modeliai leidžia veiksmingiau tirti kosmetikos ir farmacinių produktų poveikį žmogaus odai. Naudojant šiuos modelius galima tinkamai įvertinti produktų saugumą ir efektyvumą be gyvūnų naudojimo. 

Tai leidžia išvengti problemų, susijusių su gyvūnų naudojimu, ir, geriau atspindint žmogaus odos reakcijas, užtikrinti tikslesnius tyrimų rezultatus.

Modeliai yra kuriami naudojant pažangias biomedicinines medžiagas ir juose auginant odos ląstelės, kurios imituoja natūralią odos struktūrą.

Ląstelių konstruktai, pagaminti iš kolageno, elastino ir sintetinių polimerų, sukuria tinkamą mikroaplinką ląstelių augimui ir dauginimuisi, užtikrinant realistiškesnių žmogaus odos struktūros ir funkcijų atkūrimą. 

Šie modeliai yra ypač naudingi tiriant kosmetikos produktų, tokių kaip kremai ir losjonai, bei farmacinių preparatų, skirtų odos ligų gydymui, saugumą ir efektyvumą.

Jie leidžia nustatyti produktų poveikį odos barjerinei funkcijai, drėgmės išlaikymui, uždegiminėms reakcijoms ir kitiems svarbiems parametrams. 

Tikimasi, kad ateityje bus kuriami dar sudėtingesni ir funkcionalesni odos ant lustų modeliai, integruojant tokius komponentus kaip kraujagyslės ir sensoriniai receptoriai.

O tai leis atlikti išsamesnius ir tikslesnius tyrimus, prisidedant prie aukštesnės kokybės kosmetikos ir farmacinių produktų kūrimo.

3R principo įgyvendinimas

Inovatyvių biomedicininių medžiagų naudojimas padeda įgyvendinti 3R (angl. replace, reduce, refine) principą, skatinantį gyvūnų naudojimo tyrimuose mažinimą ir gyvūnų gerovės apsaugą:Pakeisti gyvūnus naudojamus tyrimuose žmogaus audinius imituojančiais modeliais;

Sumažinti gyvūnų naudojimo poreikį, atliekant tik būtinus tyrimus;

Patobulinti tyrimų metodikas, siekiant gauti tikslesnius ir patikimesnius duomenis.

Pluoštiniai konstruktai ir organų ant lustų technologijos leidžia kurti fiziologiškai artimas žmogaus kūno audiniams struktūras, kuriose atliekami toksikologiniai ir farmakologiniai tyrimai, tokiu būdu išvengiant bandymų su gyvūnais.

Inovatyvios biomedicininės medžiagos atveria naujas galimybes atlikti toksikologinius ir aplinkos taršos poveikio žmogui tyrimus be gyvūnų naudojimo. 

Trimačiai audinių modeliai, organų ant lustų technologijos leidžia kokybiškai imituoti žmogaus audinius ir tirti cheminių medžiagų poveikį žmogaus sveikatai.

Šios naujos technologijos prisideda prie etiškos mokslinės praktikos ir didina tyrimų tikslumą bei patikimumą. 

KTU mokslininkai bendradarbiaudami su Lietuvos sveikatos mokslų universitetu (LSMU), Inovatyviosios medicinos centru ir Liuksemburgo mokslo ir technologijų institutu aktyviai kuria ir tiria naujas biomedicinines medžiagas skirtas pažangiems toksikologijos, regeneracinės medicinos ir vėžio tyrimams, taip prisidėdami prie globalių žmogaus sveikatos ir aplinkosaugos problemų sprendimo.
 

Kauno technologijos universiteto Cheminės technologijos fakulteto vyriausiasis mokslo darbuotojas dr. Edvinas Krugly