Molti nuovi farmaci candidati finiscono per fallire perché causano gravi effetti collaterali negli studi clinici, anche se i test di laboratorio che coinvolgono colture cellulari hanno avuto successo. Questo è un evento comune se, ad esempio, le cellule utilizzate provengono da tessuti animali.
Colture cellulari appositamente preparate ottenute da tessuto umano note come cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPS) consentono una maggiore affidabilità nei test, aumentando così anche le possibilità che un farmaco venga approvato.
I ricercatori del Fraunhofer hanno sviluppato soluzioni innovative per la produzione ottimizzata di cellule in bioreattori e criotecnologie uniche. Ciò sta aprendo la strada a un utilizzo efficiente nel mondo reale di queste colture cellulari nei test di tossicità e nella scoperta di farmaci.
I ricercatori si trovano di fronte a un dilemma se i partecipanti sperimentano gravi effetti collaterali durante gli studi clinici per testare nuovi principi attivi. Spesso ciò significa che lo sviluppo di un farmaco candidato promettente verrà interrotto e il farmaco non raggiungerà mai il mercato.
Una delle cause principali è che i farmaci candidati vengono generalmente testati utilizzando modelli di colture cellulari in vitro basati su cellule animali o prima su animali. In entrambi i casi, ci sono limiti alla capacità di tradurre i risultati del test nei soggetti umani. Ciò significa che esiste il rischio che i partecipanti allo studio sperimentino improvvisamente effetti collaterali intollerabili.
I ricercatori medici ripongono grandi speranze nelle cosiddette cellule staminali pluripotenti indotte dall’uomo (hiPS). Queste cellule provengono da tessuti umani, quindi rappresentano una base molto più accurata per determinare il funzionamento delle sostanze nei soggetti umani rispetto ai test convenzionali.
Le cellule vengono prelevate dal tessuto cutaneo umano o da un campione di sangue e poi sottoposte a una speciale procedura di riprogrammazione in laboratorio. Successivamente non sono più programmati per un solo tipo di tessuto, motivo per cui vengono chiamati "pluripotenti".
Ai fini dei test antidroga, le cellule hiPS possono quindi essere ri-differenziate in quasi tutti i tipi di cellule presenti nel corpo umano. Ciò riduce significativamente il rischio di effetti collaterali indesiderati che si verificano nei successivi studi clinici sull'uomo.
Le cellule necessarie per i test vengono prodotte nei bioreattori. Un team di ricercatori guidato dalla dott.ssa Julia Neubauer, capo del dipartimento di tecnologie criogeniche e cellule staminali presso l'Istituto Fraunhofer di ingegneria biomedica IBMT, ha ora compiuto un progresso significativo nella moltiplicazione e differenziazione delle cellule hiPS in un bioreattore.
"Ora è possibile per la prima volta ampliare il processo in modo da creare grandi quantità di celle funzionali in breve tempo", afferma Neubauer.
La sfida per gli scienziati Fraunhofer che partecipano al progetto congiunto R2U-Tox-Assay è stata quella di scoprire il modo migliore per replicare le condizioni ambientali che si verificano naturalmente nel corpo umano in un bioreattore in modo che le cellule si moltiplichino rapidamente senza alcuna perdita di funzionalità.
"Abbiamo sviluppato e prodotto il nostro idrogel elastico che funge da substrato specifico per il bioreattore. Le cellule si trovano a loro agio lì, quindi possono proliferare in modo efficace. I parametri scelti ci consentono di produrre quantità rilevanti per i test medici fino a diversi miliardi di cellule", spiega Neubauer.
I modelli cellulari prodotti in questo modo, che possono essere differenziati in tessuti come il muscolo cardiaco, la pelle o i neuroni, possono quindi essere utilizzati nei test per testare i candidati farmaci e determinarne la tossicità. Un altro vantaggio è che le cellule hiPS sono cellule umane che contengono ancora le informazioni sul genoma del donatore, il che rende possibile sviluppare test appropriati di nuovi principi attivi per trattare malattie e disturbi anche con una componente genetica.
Tuttavia, c’è un altro problema sia per i ricercatori farmaceutici che per i centri medici universitari:la conservazione e la disponibilità delle colture cellulari. I ricercatori del Fraunhofer mettono a frutto la loro esperienza decennale nella crioconservazione delle cellule per rispondere a questa domanda.
Fraunhofer IBMT ha sviluppato metodi di crioconservazione che non si trovano in nessun'altra parte del mondo. L'azoto liquido viene utilizzato per raffreddare i modelli cellulari cresciuti nel bioreattore da circa più 23°C fino a -196° entro due secondi.
I ricercatori del Fraunhofer hanno anche sviluppato una speciale piastra per coltura cellulare che può essere utilizzata prima per coltivare le cellule e poi congelarle. Speciali mezzi di congelamento, abbinati al processo di congelamento rapido, impediscono la formazione di cristalli di ghiaccio nel tessuto cellulare, che danneggerebbero il materiale e lo renderebbero molliccio. "Se hai mai congelato le fragole a casa, conoscerai questo effetto indesiderato", afferma Neubauer.
Lei e il suo team hanno sviluppato un protocollo di crioconservazione dettagliato che descrive la procedura corretta. Il protocollo stabilisce parametri, come la velocità di raffreddamento e i tempi in cui i mezzi di congelamento devono avere effetto, per i tipi specifici di cellule da preservare. Questi metodi garantiscono che le colture cellulari umane sensibili manterranno la loro piena funzionalità dopo essere state rimosse dalla crioconservazione e quindi scongelate.
Le piastre di coltura cellulare standardizzate consentono di conservare e trasportare le colture cellulari quasi senza limitazioni per gli screening ad alto rendimento utilizzati nella ricerca farmaceutica. Gli ospedali e i laboratori farmaceutici possono tenere in stock le colture cellulari in modo da avere sempre a disposizione le cellule giuste per i test tossicologici e antidroga.
I raffinati concetti di bioreattore e crioconservazione aprono la strada a un utilizzo efficiente nel mondo reale delle cellule hiPS nella ricerca medica. I tradizionali test in vitro che coinvolgono cellule animali e i test sugli animali eticamente problematici sono entrambi sostituiti da sistemi di test significativamente più accurati.
"Nel complesso, i risultati del test R2U-Tox consentono uno sviluppo più efficiente e sicuro di farmaci candidati per il trattamento di una serie di malattie, comprese malattie cardiache e oculari e persino disturbi neurologici come la demenza", afferma Neubauer.
Fornito da Fraunhofer-Gesellschaft
