Biodruk 3D w terapii onkologicznej: cenne informacje, dotychczas niedostępne

Prace nad opracowaniem modeli 3D przydatnych w terapii onkologicznej prowadzone są w Pracowni Biologii Nowotworów Narodowego Instytutu Onkologii przez zespół, w skład którego wchodzą cztery badaczki: dr Agata Kurzyk, dr hab. Anna Szumera-Ciećkiewicz, dr Joanna Miłoszewska, dr hab. Magdalena Chechlińska. Opracowanie modeli nowotworowych opartych na biodrukach 3D pozwoli lekarzom nie tylko trafniej oceniać skuteczność leków, ale także zrozumieć złożone interakcje między komórkami nowotworowymi a ich mikrośrodowiskiem. Rozwiązanie to może również wspomagać lekarzy przy ocenie, czy warto podjąć daną terapię dla konkretnego pacjenta, a ponadto pozwoli zauważyć, w którym momencie pojawia się oporność na leczenie i, co za tym idzie, konieczność zmiany terapii.

Na jakim etapie znajdują się prace, jakie obserwacje udało się poczynić w ramach prowadzonych badań i czy do sukcesu projektu przyczynił się skład zespołu badawczego? Zagadnienia te omawiamy z jedną ze współautorek badania, dr Agatą Kurzyk.

Czytaj więcej

Zdrowie

Koniec ery czerniaka złośliwego. Rewolucja w profilaktyce groźnego nowotworu

Pierwsza spersonalizowana szczepionka przeciwko czerniakowi jest obecnie testowana w Wielkiej Bry...

Proszę o przybliżenie tematyki badań z wykorzystaniem biodrukowania 3D. Dlaczego zespół, w którego skład oprócz pani wchodzą trzy inne badaczki z Narodowego Instytutu Onkologicznego, postanowił rozpocząć prace badawcze poświęcone temu zagadnieniu?

Tematem naszych badań jest złożoność mikrośrodowiska nowotworu - to jak komórki nowotworowe współdziałają z otaczającymi je innymi komórkami, i jak wpływa to na skuteczność leczenia. Wykorzystujemy do tego właśnie biodruk 3D - technologię, która pozwala tworzyć przestrzenne modele guzów nowotworowych, w sposób bardziej realistyczny niż tradycyjne hodowle. To może brzmieć jak science fiction, ale dla nas to bardzo realne narzędzie, które może zmienić sposób, w jaki testujemy leki przeciwnowotworowe. Dlaczego? Bo obecne metody często po prostu zawodzą.

Z czego to wynika?

Jednym z istotnych wyzwań w leczeniu nowotworów jest zrozumienie, dlaczego każdy nowotwór i każdy pacjent reaguje inaczej. Terapia skuteczna u jednej osoby może okazać się nieskuteczna u innej. To przypomina, jak złożonym i indywidualnym procesem jest leczenie – zwłaszcza gdy w grę wchodzi ludzkie życie. Dlatego zaczęłyśmy się zastanawiać, jak można lepiej przewidywać, która terapia zadziała u konkretnego chorego. I tu właśnie pojawił się pomysł wykorzystania biodrukowanych modeli guzów. Dziś, zanim lek trafi do pacjenta, przechodzi długą drogę. Najpierw testy na komórkach hodowanych na szalkach, potem na zwierzętach. Ale aż 90% tych leków okazuje się nieskutecznych, gdy dochodzi do badań klinicznych. To pokazuje, że nasze modele badawcze są zbyt uproszczone. A przecież nowotwór to nie tylko komórki nowotworowe to całe ich otoczenie: naczynia krwionośne, komórki odpornościowe, zrąb. Wszystko to razem wpływa na to, czy dany lek zadziała. Dlatego postanowiłyśmy stworzyć coś bliższego rzeczywistości – wydrukowany model 3D, który odtworzy nie tylko guz, ale też jego mikrośrodowisko, dzięki czemu wierniej odwzoruje to, co rzeczywiście dzieje się w organizmie pacjenta.

Czytaj więcej

Zdrowie

Gra na skrzypcach podczas usuwania guza mózgu? Neurochirurg o zabiegach „awake”

Podczas zabiegu usunięcia guza mózgu u skrzypaczki Dagmar Turner, pacjentce umożliwiono grę na in...

Jaki to był nowotwór?

Nasz pierwszy projekt dotyczył raka skóry, a konkretnie raka płaskonabłonkowego. Zwykle leczy się go operacyjnie, ale w wielu przypadkach dochodzi do nawrotów, a czasem guzów nie da się już usunąć chirurgicznie. Wtedy konieczne staje się zastosowanie innych metod terapii. Skupiłyśmy się na cetuksymabie, leku zatwierdzonym do leczenia płaskonabłonkowego raka głowy i szyi, który w przypadku raka płaskonabłonkowego skóry wciąż znajduje się na etapie badań klinicznych. Dotychczasowe wyniki są jednak obiecujące, szczególnie u pacjentów, którzy nie kwalifikują się do immunoterapii lub nie odpowiadają na leczenie immunologiczne. Uznałyśmy, że właśnie ten lek będzie dobrym kandydatem do przetestowania naszego modelu.  Celem projektu było zaprojektowanie przestrzennego modelu nowotworu, przetestowanie jego odpowiedzi na leczenie i porównanie jej z wynikami uzyskanymi w innych systemach, od klasycznych hodowli jednowarstwowych, po sferoidy, czyli prostsze trójwymiarowe modele komórkowe. Okazało się, że te wydrukowane w technologii 3D znacznie lepiej odzwierciedlają odpowiedź na lek, jaką obserwuje się u pacjentów.

Jak należy interpretować ten wynik?

To bardzo dobra wiadomość, bo potwierdza funkcjonalność naszego modelu. Dzięki temu możemy pójść o krok dalej i zamiast ograniczać się do testowania leków na liniach komórkowych czy komórkach pierwotnych, możemy rozpocząć badania na komórkach pobranych bezpośrednio od pacjentów. To otwiera drogę do oceny indywidualnej odpowiedzi chorego na konkretną terapię. Taki model mógłby realnie wspierać lekarzy w podejmowaniu decyzji terapeutycznych wskazując, czy warto kontynuować daną terapię, czy może lepiej wcześniej rozważyć zmianę strategii. Co więcej, umożliwiłby także monitorowanie momentu pojawienia się oporności na leczenie, co z kolei daje szansę na wcześniejsze podjęcie decyzji o jego zmianie. Nasze badania mają również ogromną wartość poznawczą. Umożliwiają śledzenie progresji nowotworu, badanie nowych mechanizmów oporności i identyfikację potencjalnych celów molekularnych. W dłuższej perspektywie przyczynią się do rozwoju bardziej zaawansowanych i skutecznych terapii przeciwnowotworowych.

Czytaj więcej

Zdrowie

Czy cukier żywi raka? Specjalistka tłumaczy

Czy cukier przyczynia się do zwiększenia prawdopodobieństwa zachorowania na raka? Jaką dietę stos...

Jak długo trwały badania nad opracowaniem zaawansowanych modeli komórkowych opartych na technologii biowydruku 3D?

Prace laboratoryjne trwały około dwóch lat. Cały proces był bardzo złożony i obejmował kilka etapów: od biologii komórkowej, poprzez dobór i optymalizację biomateriałów, aż po projektowanie precyzyjnej trójwymiarowej geometrii modelu. W naszym przypadku kluczowe było dobranie odpowiedniego hydrożelu, który pełniłby funkcję macierzy zewnątrzkomórkowej, czyli czegoś w rodzaju „rusztowania” dla komórek nowotworowych i zdrowych. Hydrożel musi nie tylko utrzymać komórki przy życiu, ale też pozwolić im komunikować się między sobą i wydzielać czynniki, takie jak cytokiny, które modulują mikrośrodowisko guza. To właśnie ta dynamiczna interakcja między komórkami nowotworowymi a ich otoczeniem (np. fibroblastami czy keratynocytami) ma kluczowe znaczenie dla rozwoju choroby i odpowiedzi na leczenie.

Jakie były najciekawsze wnioski z badania?

W odróżnieniu od płaskich hodowli komórkowych 2D, w naszym modelu 3D komórki organizują się w przestrzenne skupiska. Szczególnie ciekawe było obserwowanie ich zachowania po czterech i ośmiu tygodniach hodowli, zmieniały morfologię, łączyły się w większe struktury, czasem nawet „współpracowały”. Zaobserwowałyśmy też coś niezwykle interesującego: po dodaniu leku komórki niejako „chowały się” w głąb hydrożelu, jakby tworzyły własną strefę ochronną. To pokazuje, że nasz model odzwierciedla rzeczywiste mechanizmy, może mieć dużą wartość predykcyjną i pomóc w opracowywaniu bardziej skutecznych terapii. W biodruku 3D fascynujące jest to, że możemy tworzyć struktury o niemal dowolnej geometrii i komponować je z różnych materiałów biologicznych. Możemy więc „włączać” i „wyłączać” określone składniki mikrośrodowiska nowotworu, by obserwować w czasie rzeczywistym, jak komórki reagują, jak się przemieszczają, zmieniają kształty, jak ze sobą konkurują lub wspierają się.

Czytaj więcej

Zdrowie

Polska współtwórczyni nowej metody leczenia czerniaka: Hipoteza się potwierdza

Badanie nad immunoterapią przedoperacyjną w leczeniu czerniaka może zrewolucjonizować znane dotyc...

Czy etap, na którym obecnie znajdują się badania, umożliwia ich szersze zastosowanie, czy niezbędne są dalsze testy?

Nasze badania nad biodrukiem 3D rozwijają się bardzo dynamicznie, jednak zanim model będzie mógł znaleźć szersze zastosowanie w praktyce przedklinicznej lub klinicznej, konieczne są dalsze testy i udoskonalenia technologii. W ciągu ostatnich dwóch lat udało nam się opracować zaawansowany model raka płaskonabłonkowego skóry, a równolegle dwuwarstwowy model skóry, w którym z powodzeniem odtworzyłyśmy naturalne procesy biologiczne: od obecności fibroblastów w warstwie podstawnej, przez keratynocyty, aż po dojrzewanie (keratynizację) i złuszczanie naskórka. Przed nami wiele pracy, ale sama myśl, ze możemy tworzyć zminiaturyzowaną tkankę ludzką daje nam ogromną motywację do dalszych działań.

Na jakim etapie są teraz badania?

Obecnie pracujemy równolegle w kilku kierunkach, by nasz model był uniwersalny i przewidywalny. Po pierwsze, rozwijamy technologię samego biodruku, testujemy nowe biomateriały i optymalizujemy parametry, tak aby struktury były jeszcze bardziej stabilne i funkcjonalne. Po drugie, planujemy wprowadzenie do modelu elementów sieci naczyń krwionośnych, co pozwoli jeszcze lepiej odwzorować środowisko tkankowe i jego reakcję na leczenie.

Na czym polega wspomniany projekt i jaki jest jego cel?

Projekt koncentruje się na opracowaniu nowych strategii tworzenia sieci naczyń w modelach biodrukowanych, z wykorzystaniem komórek śródbłonka oraz kontrolowanego uwalniania czynników wzrostu wspierających proces neoangiogenezy czyli tworzeniu nowych naczyń krwionośnych, w przebiegu wielu nowotworów złośliwych. Etap ten jest kluczowy, ponieważ wiele nowoczesnych terapii onkologicznych polega na hamowaniu ukrwienia guza, co ogranicza jego dalszy wzrost. Wydrukowanie funkcjonalnego układu naczyniowego stanowi ogromne wyzwanie technologiczne, dlatego wprowadzamy kolejne elementy stopniowo, aby zachować pełną kontrolę nad tym złożonym systemem komórkowym. Umożliwia to precyzyjną analizę wpływu poszczególnych czynników na organizację i działanie unaczynionego środowiska w modelu 3D. Utworzenie takiej sieci pozwoliłoby nie tylko ocenić skuteczność leków antyangiogennych, lecz także znacząco przybliżyć model do warunków panujących w organizmie pacjenta.

Czytaj więcej

Zdrowie

Nowe testy krwi będą wykrywać raka. Co zastąpią?

Naukowcy są zdania, że komórki nowotworowe można wykryć za pomocą testów krwi, nawet zanim pojawi...

Jakie inne obszary badań z wykorzystaniem biodrukowania 3D są obecnie opracowywane w Narodowym Instytucie Onkologii przez Wasz zespół?

Jednym z najnowszych kierunków, nad którym pracuje nasz zespół w Pracowni Biologii Nowotworów jest ocena przydatności biodrukowanych modeli 3D do badań nad radiowrażliwością. Projekt ten realizujemy z Zakładem Fizyki Narodowego Instytutu Onkologii. Przetestujemy, jak wydrukowany model guza zareaguje na promieniowanie jonizujące. To ważny krok, ponieważ w przyszłości takie modele mogłyby posłużyć do personalizacji dawek radioterapii dopasowanych do indywidualnych cech pacjenta. To szczególnie interesujące pole, ponieważ jak dotąd niewiele badań opublikowano w tym obszarze. Tymczasem możliwość lepszego zrozumienia, jak komórki nowotworowe zachowują się po napromienieniu, może przełożyć się na realną poprawę skuteczności leczenia. Równolegle, we współpracy z Biobankiem Narodowego Instytutu Onkologii, którego kierownikiem jest dr hab. Anna Szumera-Ciećkiewicz z naszego zespołu, prowadzimy projekt związany z długoterminowym przechowywaniem biodrukowanych modeli 3D. Optymalizujemy metody ich krioprezerwacji, czyli zamrażania, by móc przechowywać je w dobrej kondycji przez dłuższy czas. Dzięki temu takie modele mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w badaniach, ale także w praktyce klinicznej na przykład jako biologiczne opatrunki wspierające gojenie ran po operacjach lub po radioterapii, kiedy skóra pacjenta jest mocno uszkodzona. Co więcej, jeśli mamy możliwość przechowywania modeli z komórkami konkretnego pacjenta, otwiera się droga do ich ponownego wykorzystania w przypadku wznowy choroby. Można wtedy szybko przetestować nowe leki lub schematy leczenia, zanim zostaną one wprowadzone u pacjenta – co znacznie zwiększa szanse na powodzenie terapii.

Czy technologia biodruku 3D może mieć zastosowanie dla innych typów nowotworów, czy obecnie jej zakres przewidziany jest na potrzeby leczenia nowotworów skóry?

Chociaż modelem, od którego zaczęłyśmy nasze badania, był rak płaskonabłonkowy skóry, intensywnie pracujemy nad rozszerzeniem tej technologii na inne typy nowotworów, zwłaszcza te związane z przerzutami do kości. To temat, który jest mi osobiście bardzo bliski. Rok temu straciłam tatę, który zmarł na raka prostaty z zaawansowanymi przerzutami do kości. Po latach towarzyszenia mu w leczeniu zrozumiałam, że zgromadzona wiedza i doświadczenie mogą dziś służyć innym. To też stało się dla mnie impulsem by opracować pomysł na modele nisz przerzutowych, które mogłoby pomóc w zrozumieniu i leczeniu tego trudnego etapu choroby. Obecnie przygotowuję wniosek grantowy na realizację nowego projektu w tym zakresie.

Czytaj więcej

Nauka

Polscy naukowcy sprawdzają, czy AI zastąpi lekarza. Kobiety odgrywają ważną rolę w projekcie

Wprowadzenie innowacyjnych rozwiązań opartych na sztucznej inteligencji i wspierających pracę lek...

Czy podobne badania były prowadzone już na świecie, czy jesteśmy w tym zakresie pionierami?

Jeśli chodzi o raka płaskonabłonkowego skóry, badań w tym obszarze wciąż jest stosunkowo niewiele. Jednak na świecie zdecydowanie widać, że zainteresowanie tworzeniem modeli 3D do badania nowotworów rośnie, zarówno w oparciu o biodruk, jak i technologie mikroprzepływów czy tzw. organ-on-a-chip czy organoidów. Każdy zespół badawczy przyjmuje nieco inne podejście, w zależności od rodzaju nowotworu, typu komórek i celu badania. Pojawiają się też pierwsze firmy biotechnologiczne, które specjalizują się w testowaniu leków na takich modelach i szukaniu strategii bardziej dopasowanych do konkretnego pacjenta. Warto podkreślić, że choć ta dziedzina rozwija się bardzo dynamicznie, nadal jesteśmy na etapie oceny skuteczności modeli i udoskonalania modeli. Przed nami jeszcze dużo pracy, zanim staną się one narzędziem powszechnie wspierającym decyzje kliniczne. Niemniej jednak już dziś takie modele pozwalają obserwować to, co wcześniej było trudno uchwytne, interakcje między komórkami, ich reorganizację w czasie czy mechanizmy obronne. To klucz nie tylko do zrozumienia nowotworów, ale też skuteczniejszego projektowania i testowania nowych leków. Wierzę, że tego typu modele nie tylko ograniczą konieczność wykorzystywania zwierząt w badaniach, ale skrócą czas potrzebny na przejście od etapu laboratoryjnego do badań klinicznych. Cel jest ambitny i tylko czas pokaże, na ile realny.