Zanim leki przeciwnowotworowe wchodzą w fazę testów na żywych organizmach, sprawdza się ich skuteczność w laboratorium. Choć naukowcy starają się symulować komórkom warunki podobne do tych w naszym ciele, to jednak jest to trudne. Rozwiązaniem mogą być hodowle komórek nowotworowych w wersji 3D, które pozwolą na lepsze badanie działania leków.

Nad specjalnymi rusztowaniami 3D dla komórek czerniaka pracuje od kilku lat doktorantka Agnieszka Jankowska z Wydziału Mechanicznego PWr. Do ich wytworzenia używa hydrożelowego biopolimeru – alginianu sodu, polimeru pochodzenia naturalnego, pozyskiwanego z morskich wodorostów.

Przy odpowiednim doborze parametrów hydrożel może zbliżyć się do właściwości tkanki, w której namnaża się nowotwór. Do tego jest biokompatybilny (działa w organizmie żywym bez negatywnych efektów dla niego), ma niewielką toksyczność, niską cenę i można go formować. Wszystko to sprawia, że naukowcy coraz częściej korzystają z niego do budowy rusztowań komórkowych i nośników leków.

Podobne plany ma badaczka z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, która dąży do stworzenia trójwymiarowej hodowli komórkowej symulującej tkankę guza.

 – Jest pewien paradoks w moich badaniach – opowiada mgr inż. Agnieszka Jankowska. – Robię teraz wszystko, żeby stworzyć jak najlepsze warunki dla komórek nowotworowych. Tak, by jak najszybciej się rozwijały i namnażały podobnie jak w ludzkim ciele. Wszystko po to, by potem potraktować je lekami, które – mamy nadzieję – je zniszczą, i pozwolą na opracowanie spersonalizowanych terapii.

3D lepsze od 2D

Jak tłumaczy doktorantka, o ile komórki nowotworowe w organizmach ludzi i zwierząt szybko się namnażają, a ich przeżywalność jest bardzo wysoka, o tyle w warunkach laboratoryjnych konieczne jest spełnienie wielu warunków, by przetrwały. Do tego takie laboratoryjne hodowle nie oddają zbyt wiernie środowiska, jakim są żywe organizmy.

Wynika to z faktu, że są hodowlami płaskimi (2D), a nowotwory inaczej w nich funkcjonują. Mają ze sobą kontakt tylko na krawędziach, zmieniają swój kształt i zupełnie inaczej współpracują z sąsiadującymi komórkami, nie będąc w stanie stworzyć mikrośrodowiska. Efekt jest taki, że w wielu przypadkach leki przeciwnowotworowe, które mają świetne rezultaty w badaniach laboratoryjnych, nie wykazują już tak dobrej skuteczności w badaniach na żywych organizmach.

– Bo terapeutyk, który działał w hodowlach płaskich, z jakiegoś powodu nie sprawdza się w tych prawdziwych, trójwymiarowych – tłumaczy doktorantka. – Dlatego naukowcy w wielu ośrodkach na całym świecie dążą do prowadzenia badań na strukturach 3D, co znacznie skróci drogę badań klinicznych.

Drukowanie z hydrożelu

Obecnie Agnieszka Jankowska jest na etapie szukania odpowiednich parametrów dla rusztowań 3D z alginianu sodu, żelatyny i kilku innych dodatków. Nie jest to zadanie łatwe, bo nawet najmniejsza zmiana w procesie drukowania sprawia, że albo rusztowanie nie tworzy zwartej konstrukcji albo sam proces druku nie spełnia odpowiednich warunków dla komórek, powodując ich śmierć.

– Znanym nam, używanym na co dzień hydrożelem jest np. żelatyna występująca w kolorowych galaretkach. Gdy ją rozpuścimy i stężeje, nie będzie się w pełni zachowywała jak ciało stałe. Wystarczy spojrzeć na to, co dzieje się z nią, gdy nią potrząsamy – wyjaśnia obrazowo doktorantka. – Dlatego uzyskanie z hydrożeli struktur o konkretnym kształcie to duże wyzwanie. Podobnie jak zagwarantowanie warunków, w których komórki nowotworowe przeżyją proces biodruku. Trzeba więc ustalić właściwe stężenie, rodzaje dodatków, wilgotność, temperaturę otoczenia i tuszu w głowicy oraz stołu drukarki, ale także m.in. prędkość druku, ciśnienie, średnicę dyszy albo igły drukującej, ścieżkę drukowania i wiele innych parametrów. Pewnie gdyby ktoś spojrzał na moją pracę z boku, pomyślałby, że nie robię nic innego, tylko non stop drukuję, a mimo to nadal nie znalazłam najlepszych parametrów. A to praca na lata. Oczywiście staram się zawężać poszukiwania tych pożądanych ustawień, korzystając z ustaleń innych badaczy. Dlatego stale muszę być na bieżąco z nowymi wynikami prac naukowych, ale też szukać nowych rozwiązań na własną rękę.

Docelowo badaczka planuje drukować z dwóch głowic drukarki 3D synchronicznie – pierwszą warstwę hydrożelu z lekiem przeciwnowotworowym umieszczonym w tuszu i drugą warstwę hydrożelu z komórkami nowotworowymi. Wówczas możliwe będzie analizowanie wpływu konkretnego leku na komórki czerniaka – na którym skupiła się badaczka (ze względu na dostępność tych komórek, ale i fakt, że nie jest to nowotwór „popularny” wśród zespołów naukowych).

To dopiero początek

– W dalszej przyszłości, gdy zakończę badania podstawowe, kolejną ścieżką badań mogłyby być próby wytworzenia struktur przepływowych – opowiada Agnieszka Jankowska. – Rusztowanie, nad którym teraz pracuję, będzie strukturą stałą. Do otoczonych lekiem komórek, które znajdą się w środku, nic już więcej nie będziemy mogli dostarczyć. Natomiast struktura przepływowa mogłaby symulować cały system odprowadzania i doprowadzania krwi w organizmie, z odpowiednim ciśnieniem i w odpowiednim cyklu. Dzięki temu badania leków jeszcze lepiej oddawałyby ich działanie w naszym ciele.

Badania Agnieszki Jankowskiej są podstawą jej doktoratu, nad którym pracuje z dwoma promotorami – dr hab. inż. Jerzym Detyną, prof. uczelni z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej na Wydziale Mechanicznym PWr oraz dr hab. n. med. inż. Julitą Kulbacką, prof. uczelni z Katery i Zakładu Biologii Molekularnej i Komórkowej, Wydziału Farmaceutycznego, Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu.

Doktorantka współpracuje także z dr hab. inż. Izabelą Michalak, prof. uczelni z Wydziału Chemicznego PWr i dr inż. Patrycją Szymczyk-Ziółkowską z Wydziału Mechanicznego PWr.

Lucyna Róg