Не в плену у лаборанта: как неживые системы заменяют лабораторных животных

Как проходят эти исследования, и кто или что становится «подопытным кроликом» рассказывают ученые PMI Science.

Испытания на животных проводятся для различных целей: базовые исследования работы организмов, разработка новых и современных методик лечения болезней, тестирование безопасности и качества лекарств, проверка уходовой и декоративной косметики на аллергены, изучение токсичности различных пестицидов, пищевых продуктов, товаров и многое другое. Например, исследование токсичности одного пестицида на животном может занимать до 10 лет, и только благодаря этому исследованию можно будет точно сказать, безопасно оно для всех живых организмов или нет.

Ученые научно-исследовательского центра «Куб» используют в своих исследованиях важное научное направление – системную токсикологию. Этот подход помогает сократить использование лабораторных животных до минимально необходимого, не снижая при этом качество исследований. Системная токсикология использует методы вычислительной биологии и биоинформатики для решения задач в области анализа токсичности соединений.

Давайте рассмотрим, в чем разница между классическим и современным подходами к токсикологическим экспериментам с точки зрения гуманного отношения к животным.

В классическом подходе лаборант вводит исследуемое вещество животному, изучает внешнюю реакцию, затем усыпляет объект, чтобы взять образцы тканей и изучить состояние внутренних органов. Современный же подход допускает оценку соединений токсичности уже на начальном этапе – первой реакции на молекулярные механизмы. Каждый следующий шаг расширяет понимание свойств системы в целом, которые нельзя спрогнозировать по единичным элементам.

К альтернативному способу можно отнести: методики in vitro, которые предполагают изучение органов, тканей и клеток в пробирках или в чашках Петри, а также компьютерное моделирование, благодаря которому можно построить модели прогнозирования.

Данные, полученные в результате испытаний, собираются, анализируются и интегрируются с другими биологическими анализами. Другими словами, у ученых появляется «карта исследований» в цифровом формате, на которой можно увидеть, какая реакция была, например, на компонент А, а какая – на компонент Б.

Если говорить об инновациях, то в доклинических исследованиях кроме лабораторных животных и культур, используется еще одна альтернатива, находящаяся на стыке биологии, химии, физики и биоинженерии – «органы-на-чипе».

Чип представляет собой небольшое устройство – пластину, выполненную из стекла, кремния или полимерных соединений, в которой по системе микроканалов передвигаются жидкости и взаимодействуют с клетками внутренних органов и тканей человеческого организма. Таким образом, совмещая микроэлектронные технологии и клеточные материалы, ученые получают орган-на-чипе, который симулирует работу какого-либо органа живых существ.Такой способ изучения более достоверен, особенно при разработке препаратов, так как лекарство, испытанное на мышах, может быть бесполезным или даже вредным для человека в виду различий между живыми организмами. В то же время эксперименты с использованием чипов могут дать валидный результат в относительно короткие сроки, и, следовательно, сократить затраты на проведение исследования. Система органов-на-чипе, вероятно, со временем сможет дополнить и улучшить методы исследований с использованием лабораторных животных, и даст ученым возможность получать персонифицированные данные для каждого пациента. Это упростит дальнейшую работу врачей и повысит скорость установки диагноза или назначения лекарственных препаратов.

По статистическим данным, около 80% испытаний на лабораторных животных оканчиваются неудачей, поэтому ученые активно ищут новые способы исследований. Несмотря на то, что концепция органов-на-чипе появилась чуть больше 10 лет назад, пока этот способ лабораторного тестирования не так широко распространен. Для того, чтобы как можно больше лабораторий узнали о новой технологии, нужно время и соответствующие разрешения со стороны регулирующих органов.

Еще одной инновацией в сфере экспериментальных исследований стала 3D-печать, которая получила широкое распространение в медицине: от изготовления анатомических моделей до создания органов и имплантатов. Помимо прочего, эту технологию применяют и для исследования бактерий и вирусов: на специализированном трехмерном принтере печатают копии органов человека в миниатюрном формате из генетически перепрограммированных клеток человеческой кожи и таким образом получают основу для тестирования химических соединений.

Лабораторные животные до сих пор являются частью научных экспериментов, но научный прогресс и новые направления развития биологии продвигаются с сторону сокращения использования лабораторных животных. Какие еще возможности ждут нас? Попробуем заглянуть в будущее сквозь призму современных трендов, направленных в большей степени не на технологическую революцию, а скорее на этические нормы.

Первый тренд – исследование, построенное на принципах 3R: Replacement, Reduction, Refinement, или принцип этичного обращения с животными при тестировании и экспериментах. Принцип предполагает, что необходимо заменить организмы высокого уровня развития более простыми или их моделями, сократить использование животных и разработать более гуманные методы проведения экспериментов с лабораторными моделями и их содержания.

Второй тренд обращается к доклиническим исследованиям – второй тренд R-принципов: Robustness, Reporting,Registration (надежность, отчетность, регистрация). Это тренд на обратную связь от лабораторий, которые должны информировать сообщество не только об удачных экспериментах, но и о провалах, чтобы другие научные центры не повторяли те же ошибки.

А позже была разработана новая «триада R» относительно лекарственной формы и применения лекарственных средств – drug Repurposing, Repositioning и Rescue — перепрофилирование, репозиционирование и возобновление. Данная концепция уже не относится к доклиническим исследованиям, а речь идет о том, чтобы подарить вторую жизнь уже изученным лекарствам, которые наряду с нежелательными эффектами внезапно показали и побочную эффективность по отношению к другому заболеванию. Таким образом, можно снизить затраты и сроки разработки лекарственных препаратов.