Η «συνθετική βιοτεχνολογία» ανοίγει το δρόμο για μια βιοϊατρική έρευνα χωρίς πειραματόζωα / “Biosynthetic biotechnology” leads the way for a biomedicine research without experimenting on animals

Share with your friends










Submit

English translation following greek text.
Αγγλική μετάφραση ακολουθεί το Ελληνικό κείμενο.

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

English translation.
Αγγλική μετάφραση.

“Biosynthetic biotechnology” leads the way for a biomedicine research without experimenting on animals
by Dr. Maria Hliou, a molecular and cellular biologist, who specializes on cancer and a PFPO
collaborator

The title itself makes us think that something really good is “on the way”. Synthetic biotechnology which is the result of joining multiple scientific fields that are in bloom nowadays, such as biology-biomedicine, electro-engineering and material science, aims to deploy synthetic materials as raw materials for the formation of new biological systems that had never existed before. In other words, we can create ‘’new forms’’ from the beginning ,which we will be able to control/check through microchips and computer programs, like we do with an electric device instead of reforming existing life forms in order to attribute the characteristics we desire and experiment on them.

And why we would that? There are at least two reasons;

1) The biosynthetic systems of the future can have the form of microorganisms-micro vehicles with a variety of applications on the fields of health and medicine and with specialized roles that modern means of technology can’t cover. For instance, the construction of a synthetic “bacterium-sensor” that will ‘’live’’ in a bowel, used for monitoring and detecting cancerous or any other corruption of the intestinal epithelium . Another example is a synthetic microorganism which will deliver the drug exactly to the point of the body that it is needed or even biochemical systems that will be able to detect and clean environmental pollution and also detect the presence of chemical weapons etc 2) Even more important for the progress of basic research is the fact that researchers will be able to answer important questions
relating to the procedures that regulate biological systems both to a cellular and organic level,while using these structural “units of simulation of life” without the sacrifice of existing life forms. Thus, in the future we will be able to control better these procedures, contributing to discover treatments for those diseases which are still uncurable.

If you think that all these are still in the realm of science fiction, a walk around the labs of MIT (Massachusetts Institute of Technology) in USA, will convince you. Students and researchers had created the ‘’Biobricks’’ library in order to be used for the construction of the first biosynthetic bacterium, while the DAPRA/ITO (Ministry of Defense in USA/Office of Information and Technology) funds generously corresponding programs of bioinformatics (DNA computing and Information processing using bimolecular coding and manipulation).

Same areas are also funded by the European Union through some programs such as NEST (New and Emerging Science and Technology), FP (Framework program project) and PACE
(Programmable Artificial Cell Evolution).

Step by step we are in a position to compose even more multiple/complex synthetic biological systems with the evolution of synthetic technology. Researchers from Dresden (Germany) in collaboration with the Institute of Biotechnology of Technical University have created a mini multiple organic microchip ( picture 1) that simulates the function of at least 3 systems of the human organism (in ratio 1:100.000) with incredible detail including the complex metabolic procedures that take place in the human body. ‘Synthetic blood’’ is pumped from a micro-pump and through micro-channels circulates in the organs just like through the heart, vessels and capillaries in the human body The organic elements and tissues that constitute this microchip can be modified at will of the researchers so that each time specific questions of the biomedical research could be answered. With such a chip researchers can study the effects of the active components in human systems during toxicological tests that precede the clinical studies of new drugs. Furthermore, they will be able to study the effects of cosmetics to the skin replacing the cruel – however necessary and irreplaceable-use of animals in experiments.

The results of these studies are expected to be more representative than the studies that use rats, mice or rabbits since they are conducted exclusively in human tissues with representation of tissues coming not only of both sexes but of different nationalities all around the world. The validity of such methods is expected to be not only worthy but to overcome the validity of the research that is based on animal testing. Moreover, experiments that are impossible or time-consuming to be performed on animals, they will be more easily and quickly conducted on micro-arrays of organs in microchips. The national institute of research in the USA and the Ministry of Defense (NIH and DAPRA) are already funding research groups of Harvard and the Wyss institute for the development of microcircuits (chips) in human organs and systems, with great importance to the interaction of the immune system with the liver and the development/multiplication of the ‘’dormant’’ cancer cells. ‘’Such complex experiments is impossible to be done on animals’’ Dr. Griffith, head of the team explains. Wyss institute and Dr. Griffith’s team have already accomplished
to create a microchip that is composed from 7 interactive human tissues, while they aim to create soon the ultimate human microchip which will include 10 human tissues!
Immuno-oncology, the latest and very promising scientific achievement in cancer fight, is expected to be greatly profited by those kinds of technologies. Due to the fact that the drugs that are created act with great precision against the proteins of the human organism (like a key to a lock) the results of animal testing concerning these drugs are unrepresentative in a matter of way. Moreover the immune system affects the efficacy of these treatments. If we consider of how much our immune system can differ and how this can affect the efficacy of these anticancer drugs, let’s think about of how much this can affect the efficacy of these drugs when we are talking about a totally different species! (for instance the mouse compared to human) Cosmetic companies like L’Oreal, Lancôme, Maybelline New York, Ralph Lauren Fragrances and The Body Shop one by one are adopting technologies of synthetic biology (like EpiSkin TM which is an artificial skin that is produced in their labs, picture 2) in order to replace mice, rabbits and other live species in experiments to determine the efficacy and toxicological safety of the drastic substances that they use in their products.

L’Oreal is partnering with San Diego-based Organovo, in order to create models of cultivated tissues. This is expects to bring a revolution to the field of toxicology testing for substances in cosmetic industry and other industries as well. From the above mentioned we can ascertain that more and more organizations, companies
and scientists acknowledge the new possibilities which are brought by new developing technologies and the gradual decrease and finally replacement of animals in experiments in a large range of medical and pharmaceutical research. It is commonly accepted that animal testing is a necessary evil of the pharmaceutical industry research. The experiments are expensive, time-consuming and their results are often inefficient or misleading because of their technical restrictions. The explosive growth of biosynthetic biology is an immediate solution to the problem. Combining the fluid-dynamics and thermodynamic mechanical engineering with biomedicine research and development (R&D) is managing to reduce the number of animals that are put to death in the pre-clinical stages of new drugs development, without damaging the amplitude and the quality of the results. The only thing that is certain is that there are many scientist that believe in ‘’clean’’ science with little or no
guinea pigs. This ‘’big change’’ in practice but mostly in mind setting is not far away. The more positive results are being published around the world from the use of alternative methods the more the misbelievers will be finally convinced.