Η «συνθετική βιοτεχνολογία» ανοίγει το δρόμο για μια βιοϊατρική έρευνα χωρίς πειραματόζωα

Share with your friends










Submit

της συνεργάτιδος της Ομοσπονδίας Δρ. Μαρία Ηλιού, μοριακού και κυτταρικού βιολόγου με ειδίκευση στον καρκίνο

Δρ. Μαρία Ηλιού

Το όνομα και μόνο μας προϊδεάζει οτι κάτι καλό «βρίσκεται στα σκαριά». Η συνθετική βιολογία, που αποτελεί το πάντρεμα πολλαπλών επιστημονικών πεδίων με μεγάλη άνθηση στις μέρες μας, της βιολογίας-βιοϊατρικής, ηλεκτρολογίας-μηχανολογίας κι επιστήμης υλικών, στοχεύει στην αξιοποίηση συνθετικών υλικών ως πρώτων υλών για τη δημιουργία νέων βιολογικών συστημάτων που δεν προυπήρχαν στη ζωή. Με άλλα λόγια, αντί να τροποποιούμε πλέον τις ήδη υπάρχουσες μορφές ζωής ούτως ώστε να τις αποδώσουμε τις ιδιότητες που επιθυμούμε και να πειραματιζόμαστε σε αυτές, θα μπορούμε να δημιουργούμε τεχνητά «νέες μορφές» από την αρχή, τις οποίες μάλιστα θα είμαστε σε θέση να τις ελέγχουμε/παρακολουθούμε μέσω μικροτσιπς και προγραμμάτων υπολογιστών, όπως ακριβώς κάνουμε με μία ηλεκτρονική συσκευή.

Και γιατί να το κάνουμε αυτό; Οι λόγοι είναι τουλάχιστον δύο: 1) τα συνθετικά βιολογικά συστήματα του μέλλοντος μπορεί να έχουν τη μορφή μικροοργανισμών-μικροοχημάτων με εξειδικευμένους ρόλους που δεν καλύπτονται απο τα μέσα της υπάρχουσας τεχνολογίας και με πληθος εφαρμογών στους τομείς της υγείας και ιατρικής. Για παράδειγμα η κατασκευή ενός συνθετικού «βακτηρίου-αισθητήρα» που θα κατοικεί στο έντερο, θα «παρακολουθεί» και θα «ειδοποιεί» για την οποιαδήποτε καρκινική ή άλλου είδους αλλοίωσης του επιθηλίου του εντέρου, ή ενός συνθετικού μικροοργανισμού που θα παραδίδει το φάρμακο ακριβώς στο σημείο του σώματος που απαιτείται η δράση του, ή ακόμα βιολογικά συστήματα που θα ανιχνεύουν και θα «καθαρίζουν» περιβαλλοντική ρύπανση, που θα ανιχνεύουν την παρουσία χημικών όπλων κλπ. 2) Ακόμα πιο σημαντικό για την πρόοδο της βασικής έρευνας, με την κατασκευή τέτοιων δομικών «μονάδων προσομοίωσης της ζωής» οι ερευνητές ελπίζουν οτι θα μπορούν να απαντήσουν σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τις διαδικασίες που διέπουν τα βιολογικά συστήματα, τόσο σε κυτταρικό όσο και σε οργανισμικό επίπεδο, δίχως να το τονίσουμε, να χρειάζεται να «σπαταλήσουμε» υπάρχουσες μορφές ζωής. Έτσι, θα είμαστε σε θέση να ελέγξουμε καλύτερα στο μέλλον τις διαδικασίες αυτές, συνεισφέροντας στην εύρεση θεραπειών για ασθένειες που ακόμα ταλαιπωρούν το ανθρώπινο είδος.

Εικόνα 1: Χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο πολυοργανικό τσιπ (μεγέθους της τάξεως νομίσματος ενός ευρώ) που συμπεριλαμβάνει μικροκυλώματα που αντιπροσωπεύουν διαφορετικά όργανα του ανθρώπινου σώματος οι ερευνητές σήμερα πιστεύουν οτι μπορούν να μελετήσουν επαρκώς την διαδιακασία αναγέννησης νεφρικών κυττάρων. (Πηγή: © Fraunhofer IWS)

Και αν νομίζετε οτι όλα αυτά βρίσκονται στη σφαίρα επιστημονικής φαντασίας, μια βόλτα στα εργαστήρια του ΜΙΤ (Massachusetts Institute of Technology) στην Αμερική θα σας πείσει. Φοιτητές και ερευνητές συνέθεσαν την βιβλιοθήκη «BioBricks” («βιολίθων») για να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή του πρώτου συνθετικού βακτηρίου, ενώ το DARPA/ITO (υπουργείο Άμυνας της Αμερικής/Γραφείο Πληροφορικής και Τεχνολογίας) χρηματοδοτεί αδρά αντίστοιχα προγράμματα βιοπληροφορικής (“DNA computing and Information processing using biomolecular coding and manipulation”). Αντίστοιχους τομείς χρηματοδοτεί και η Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του προγραμμάτων του NEST (New and Emerging Science and Technology), των FP προγραμμάτων (Framework programme project) και του PACE (Programmable Artifi cial Cell Evolution).

Βήμα-βήμα, με την εξέλιξη της συνθετικής τεχνολογίας, είμαστε ήδη σε θέση να συνθέσουμε ακόμα πιο σύνθετα/πολύπλοκα συνθετικά βιολογικά συστήματα. Ερευνητές στη Δρέσδη της Γερμανίας, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Βιοτεχνολογίας του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου (Technical University) δημιούργησαν ήδη ένα μίνι πολυ-οργανικό τσιπ (εικόνα 1) που προσομοιώνει με απίστευτη λεπτομέρεια τη λειτουργία τουλάχιστον 3 συστημάτων του ανθρώπινου οργανισμού (σε κλίμακα 1:100.000), συμπεριλαμβανομένων και των πολύπλοκων μεταβολικών διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα. «Συνθετικό αίμα» αντλείται από μια μικρο-αντλία και κυκλοφορεί μεταξύ των οργάνων μέσω μικροκαναλιών όπως ακριβώς και στο ανθρώπινο σώμα μέσω της καρδιάς, των αρτηριών και των τριχοειδών αγγείων. Τα οργανικά στοιχεία και οι ιστοί που απαρτίζουν το τσιπ μπορούν να τροποποιηθούν κατά βούληση από τους ερευνητές ωστέ να απαντηθούν συγκεκριμένα κάθε φορά ερωτήματα της βιοιατρικής έρευνας. Με ένα τέτοιο τσιπ οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν τις επιδράσεις των ενεργών συστατικών στα ανθρώπινα συστήματα σε τοξικολογικές δοκιμές που προηγούνται των κλινικών μελετών νέων φαρμάκων, ή τις επιδράσεις καλλυντικών στο δέρμα, αντικαθιστώντας έτσι την κατά γενική ομολογία βάναυση-πλην μέχρι τώρα απαραίτητη και αναντικατάστατη- χρήση πειραματοζώων.

Τα αποτελέσματα απο τέτοιες μελέτες αναμένεται να είναι πολύ πιο αντιπροσωπευτικά απότι οι μελέτες στις οποίες χρησιμοποιούνται ποντίκια, αρουραίοι ή κουνέλια, αφού γίνονται αποκλειστικά σε ανθρώπινους ιστούς με αντιπροσώπευση ιστών και των δύο φύλων αλλά και πολλών εθνοτήτων ανά τον κόσμο. Η εγκυρότητα τέτοιων μεθόδων αναμένεται όχι μόνο να είναι αντάξια, αλλά και να ξεπεράσει εκείνη των αποτελεσμάτων της έρευνας που βασίζεται στα πειραματόζωα. Επιπλέον πειράματα που είναι αδύνατο ή χρονοβόρα να γίνουν σε ζώα θα γίνονται πολύ πιο εύκολα και γρήγορα σε μικροσυστοιχίες οργάνων σε τσιπς. Το εθνικό ινστιτούτο ερευνών της Αμερικής και το υπουργείο Αμύνης (NIH και DARPA) ήδη χρηματοδοτούν ερευνητκές ομάδες του Χάρβαρντ και του Wyss Institute για την ανάπτυξη μικροκυκλωμάτων (τσιπς) ανθρώπινων οργάνων και συστημάτων, με ιδιαίτερο βάρος την αλληλεπίδραση του ανοσοποιητικού συστήματος με το ήπαρ και την ανάπτυξη/πολλαπλασιασμό «αδρανών» καρκινικών κυττάρων. “Τέτοια πολύπλοκα πειράματα είναι αδύνατον να γίνουν σε ζώα”, εξηγεί η Δρ. Griffith, επικεφαλής της ομάδας. Το Wyss Institute και η ομάδα της Δρ. Griffith έχει ήδη καταφέρει να δημιουργήσει ένα μικροτσιπ απαρτιζόμενο απο 7 αλληλεπιδρώντες ανθρώπινους ιστούς, ενώ στοχεύει σύντομα στη δημιουργία του απόλυτου ανθρώπινου τσιπ που θα περιλαμβάνει 10 (!) ιστούς.

Η ανοσοογκολογία, το τελευταίο πολλά υποσχόμενο επιστημονικό επίτευγμα στη μάχη κατά του καρκίνου, αναμένεται να επωφεληθεί τα μέγιστα απο τέτοιες τεχνολογίες. Επειδή τα φάρμακα που δημιουργεί δρουν με απόλυτη ειδικότητα έναντι πρωτεϊνών του ανθρώπινου οργανισμού (σαν κλειδί με κλειδαριά), τα αποτελέσματα δοκιμών τους σε ζώα είναι σε κάποιο βαθμό μη αντιπροσωπευτικά. Επιπλέον το ανοσοποιητικό σύστημα επηρεάζει με τη σειρά του την αποτελεσματικότητα αυτών των θεραπειών. Αν σκεφτούμε λοιπόν το πόσο μπορεί να διαφέρει το ανοσοποιητικό σύστημα του καθενός μας και πόσο μπορεί αυτό να επηρεάσει την αποτελεσματικότητα των αντικαρκινικών αυτών φαρμάκων, ας αναλογιστούμε το πόσο μπορεί να επηρεαστεί η δραστικότητα αυτών των φαρμάκων όταν μιλάμε για διαφορετικό είδος (ποντίκι έναντι ανθρώπου)!

Εικόνα 2: Το EpiSkinTM, ανθρώπινη επιδερμίδα συντιθέμενη απο αθρώπινα κερατινοκύτταρ, καλλιεργείται πάνω σε στοιβάδα κολλαγόνου εντός τρυβλίων πετρί και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πλήθος ιατρικών εφαρμογών, όπως μελέτη της διαπερατότητας και της προκαλούμενης διάβρωσης των στοιβάδων του δέρματος από ουσίες, έκθεσης σε UV ακτινοβολία, βλάβες του DNA, εισβολή μικροοργανισμών κλπ (προσαρμοσμένη φωτογραφία απο τον ιστότοπο http://www.episkin.com/Episkin)

Εταιρίες καλλυντικών, όπως η L’Oréal, η Lancôme, η Maybelline New York, η Ralph Lauren Fragrances και η The Body Shop, υιοθετούν η μία μετά την άλλη τεχνολογίες συνθετικής βιολογίας (όπως το EpiSkinTM -τεχνητό δέρμα που παράγεται στα εργαστήριά τους, εικόνα 2) με σκοπό την αντικατάσταση των ζωντανών ποντικιών, κουνελιών και άλλων ειδών στα πειράματα αποτελεσματικότητας και τοξικολογικής ασφάλειας των δραστικών ουσιών που χρησιμοποιούν στα σκευάσματά τους.

Η L’Oréal μάλιστα επεκτείνει τη συνεργασία της με την Organovo, μια εταιρία που εδράζεται στο Σαν Ντιέγκο της Καλιφόρνια των ΗΠΑ, με στόχο τη χρήση τρισδιάστατων εκτυπωτών για τη δημιουργία μοντέλων καλλιεργούμενων ιστών. Αυτό αναμένεται να φέρει την επανάσταση στον τομέα των τοξικολογικών δοκιμών ουσιών στην καλλυντική βιομηχανία αλλά και όχι μόνο.

Από τα παραπάνω διαπιστώνουμε οτι όλο και περισσότεροι εμπλεκόμενοι φορείς, οργανισμοί, εταιρείες και επιστήμονες αναγνωρίζουν τη δυνατότητα που δίνουν οι νέες και διαρκώς εξελισσόμενες τεχνολογίες για την σταδιακή μείωση και εν τέλει αντικατάσταση των ζώων σε πειράματα ενός μεγάλου ευρούς εφαρμογών της ιατρικής και φαρμακευτικής έρευνας. Είναι κοινά αποδεκτό οτι τα πειράματα σε ζώα είναι σήμερα το «αναγκαίο κακό» της έρευνας της φαρμακοβιομηχανίας. Είναι ακριβά, χρονοβόρα και εξαιτίας των τεχνικών περιορισμών τους τα αποτελέσματά τους συχνά είναι παραπλανητικά ή δεν επαρκούν. Η έκρηκτική ανάπτυξη της συνθετικής βιολογίας δίνει άμεσα μια λύση. Συνδυάζοντας τη ρευστοδυναμική και θερμοδυναμική μηχανολογία με την βιοιατρική έρευνα και ανάπτυξη (R&D) καταφέρνει να μειώσει τον αριθμό των ζώων που θανατώνονται στα προκλινικά στάδια ανάπτυξης νέων φαρμάκων, χωρίς να ζημιώνει το εύρος και την ποιότητα των αποτελεσμάτων. Το σίγουρο είναι οτι είμαστε πολλοί εμείς που πιστεύουμε σε μια επιστήμη «καθαρή», με λιγότερα ή και καθόλου πειραματόζωα. Κι αυτή η «μεγάλη αλλαγή» πρακτικής αλλά κυρίως νοοτροπίας δε θα αργήσει να έρθει. Όσο περισσότερα θετικά αποτελέσματα γίνονται γνωστά ανά τον κόσμο απο τη χρήση των λεγόμενων «εναλλακτικών μεθόδων» τόσο περισσότερο θα πείθονται και οι πιο δύσπιστοι.

Αναφορές:
http://web.mit.edu/arjun/www/aj_bhutkar_synth_bio_jbb_2005.pdf
Fraunhofer-Gesellschaft. “Mini synthetic organism instead of test animals.” ScienceDaily. ScienceDaily, 2 February 2015. www.sciencedaily.com/releases/2015/02/150202080638.htm
https://www.wired.com/2016/06/chips-mimic-organs-powerful-animal-testing/
https://www.cbd.int/doc/emerging-issues/emergingissues-2013-10-EASAC-SyntheticBiology-en.pdf
http://www.episkin.com/en