Explorando minilaboratórios como alternativa aos testes em animais para avaliação de radiofármacos

A radioatividade pode salvar vidas. Quando nem a quimioterapia, nem a cirurgia, nem a radiação externa ajudam contra um tumor, a medicina moderna usa os chamados radiofármacos. Essas drogas radioativas não apenas detectam células cancerígenas, mas também permitem que a radiação direcionada do interior destrua o tumor.

Mesmo antes que os efeitos colaterais potencialmente tóxicos de uma nova droga sejam de interesse, as características de ligação são mais importantes. Eles dizem aos cientistas se a nova droga pode interagir com sua célula cancerígena alvo e quão robusta é a interação. Portanto, estudos de ligação são conduzidos para medir a força de ligação e a quantidade de fármaco que se liga à célula-alvo.

No entanto, antes que essas substâncias se tornem disponíveis para uso em humanos, testes extensivos em animais são atualmente necessários durante seu desenvolvimento. Um projeto conjunto do Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS em Dresden e o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) está atualmente pesquisando um método alternativo para isso. Estruturas de órgãos artificiais e tumores em formato de chip formam a base para isso.

Numa primeira publicação, em Direções Atuais em Engenharia Biomédicapesquisadores do Fraunhofer IWS e HZDR mostram em detalhes como isso funciona.

Em 2021, um total de 1,86 milhão de vertebrados e cefalópodes foram usados ​​para fins de pesquisa na Alemanha, segundo informações do Ministério Federal de Alimentação e Agricultura. Embora seja 2% menor do que no ano anterior, ainda é um número muito grande. Os animais mais usados ​​nos laboratórios alemães são camundongos, peixes e ratos.

“Atualmente, muitas tarefas de pesquisa requerem a ajuda de experimentos com animais para serem resolvidas”, ressalta o Dr. Wiebke Sihver, do Departamento de Diagnóstico de Radionuclídeos do HZDR. É por isso que a busca por opções alternativas continua sendo extremamente importante, acrescenta ela. “Além disso, os modelos animais muitas vezes carecem de referências importantes para o organismo humano.”

Em seu trabalho, Sihver e seus colegas HZDR estão preocupados com o desenvolvimento e aplicação de substâncias radiomarcadas para diagnóstico de câncer e, especificamente, para terapia. Esses radioligantes são marcados com um nuclídeo radioativo (radionuclídeo) e se ligam a uma molécula alvo; no caso do câncer, para estruturas-alvo específicas do tumor.

O radiofármaco age, assim, diretamente sobre o tumor. O tecido saudável circundante é poupado. A data, radiofármacos desenvolvidos no HZDR devem ser testados em modelos animais como camundongos e ratos após caracterização in vitro.

Vários anos atrás, Sihver estava procurando um substituto para os muitos experimentos com animais na pesquisa radiofarmacêutica. Durante sua busca por sistemas alternativos, ela rapidamente se deparou com o Fraunhofer IWS, onde uma equipe tem pesquisado sistemas microfisiológicos que usam mini-organismos cultivados para imitar o funcionamento do organismo humano. Foi o ponto de partida para uma nova ideia.

Desenvolvimento com grande potencial

Os pesquisadores do Fraunhofer IWS trabalham nos minilaboratórios há mais de dez anos. Com esses sistemas microfisiológicos no formato de uma caixa de comprimidos, funções de órgãos ou mesmo processos de doenças podem ser representados artificialmente com a ajuda de culturas de células. Válvulas e canais simulam o sistema vascular, uma pequena bomba os batimentos cardíacos.

Os chips são feitos de filmes plásticos em camadas uns sobre os outros. Vasos sanguíneos e câmaras são cortados por laser. Em módulos especiais, os usuários posteriormente cultivam culturas de células que podem sobreviver por até um mês nos sistemas microfluídicos. Enquanto isso, o sangue circula no minilaboratório na forma de um meio nutritivo que fornece oxigênio e nutrientes às células. Há alguns anos, esse quadro permitia apenas a representação de dois órgãos.

Hoje, até quatro podem ser simulados simultaneamente nesses novos chips multi-órgãos. Quando a equipe do HZDR recorreu ao Fraunhofer IWS, os especialistas reconheceram rapidamente o potencial para uma nova aplicação.

“Chips de múltiplos órgãos ainda não foram usados ​​no desenvolvimento de radiofármacos, então há uma grande necessidade deles”, explica o líder do grupo Florian Schmieder, que esteve envolvido na pesquisa de laboratório em chip no Fraunhofer IWS por muitos anos. Juntos, os dois institutos solicitaram com sucesso uma bolsa do Ministério Federal da Educação e Pesquisa da Alemanha para “Métodos Alternativos para Testes em Animais”. Isso continuará até 2024, e eles alcançaram os primeiros resultados promissores.

Reduzindo o número de experimentos com animais

O trabalho conjunto de pesquisa visa colocar modelos 3D de tumores em um chip que, posteriormente, tornará os testes de radiofármacos mais simples e menos dispendiosos. Produzir um agregado de células tridimensionais – um esferoide que pode imitar o tecido do tumor – a partir de uma cultura de células bidimensionais, portanto, representou o primeiro desafio. “Isso nos permite integrar as características do microtumor em nosso sistema”, explica o engenheiro de desenvolvimento Stephan Behrens, Fraunhofer IWS.

Em perspectiva, essa representação no chip deve se tornar cada vez mais detalhada, por exemplo, usando células específicas do paciente ou para determinar proteínas características recém-descobertas em diferentes tipos de células tumorais que podem ser detectadas radiofarmacologicamente. Os primeiros testes de Sihver e sua equipe com os chips de múltiplos órgãos já mostraram resultados positivos. Primeiro, eles usaram substâncias conhecidas cujas propriedades podem ser facilmente observadas no chip.

“Vimos que o vinculativo aos esferóides do tumor já funciona”, descreve ela. Eles também planejam exibir um modelo de rim e um organoide de fígado nos chips. Os rins, em particular, são considerados limitantes de dose e, portanto, desempenham um papel importante na pesquisa radiofarmacêutica. “Em termos coloquiais , isso significa que se o radioligante ficar preso, isso pode levar a danos no rim, mas também nas células do fígado”, explica o cientista.

Testar tais substâncias usando culturas de células em um chip, portanto, oferece uma alternativa promissora, diz ela. Se os testes do projeto continuarem positivos, radioligantes desconhecidos também serão testados nos sistemas posteriormente.

“Isso economiza um grande número de experimentos com animais”, diz Sihver. Embora suas pesquisas ainda não possam eliminar completamente experimentos com animais, os pesquisadores estão trabalhando para reduzir seu número. Como resultado do novo desenvolvimento, Florian Schmieder vê muitas vantagens para futuros pacientes. “Poderíamos colocar células específicas do paciente em um chip e, assim, simular como um câncer se desenvolve.”

Terapias individuais adaptadas às necessidades do paciente seriam possíveis com este método. “O câncer também forma antígenos específicos do tumor que não são tão representáveis ​​em modelos animais”, diz a equipe de pesquisa. Isso também deve ser viável nos chips.

A estreita cooperação entre os dois institutos de pesquisa constitui um exemplo notável que ilustra o valor agregado da aliança científica do conceito DRESDEN, na qual 36 parceiros uniram forças para promover Dresden como um local de pesquisa e para criar e explorar sinergias em pesquisa e ensino bem como infra-estrutura e administração.