Erfolgreich vorherzusagen knochenmarkinsuffizienz verursacht durch Medikamente, Bestrahlung, Erkrankungen

Erfolgreich vorherzusagen knochenmarkinsuffizienz verursacht durch Medikamente, Bestrahlung, Erkrankungen

Ihr Knochenmark produziert etwa 500 Milliarden neue Blutzellen jeden Tag—entspricht etwa der Anzahl der Sterne Gedanken werden in der Milchstraße. So fruchtbar, kommt jedoch mit einem Preis verbunden: mit medizinischen Interventionen, die darauf abzielen, stören das Zellwachstum und-Differenzierung, wie z.B. Chemotherapeutika und Strahlung, kann Treffer Knochenmark extrem hart, was zu schweren Nebenwirkungen wie Anämie, starke Blutungen und Infektionen erhöht. Die Bemühungen, zu verstehen und zu reduzieren Knochenmark-Toxizität behindert worden, indem das Knochenmark ist unzugänglich, da der einzige Weg, um effektiv zu studieren, Leben, Knochenmark-Gewebe, die beim Menschen zu nehmen, die invasive, schmerzhafte Biopsien von Patienten Knochen.

Nun, ein neues organ-on-a-chip (Organ-Chip) – Technologie Voraus aus dem Labor von Donald Ingber, M. D., Ph. D. an der Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering an der Harvard University öffnet sich ein Fenster, in dieses unerforschte Gebiet: ein Menschliches Knochenmark-Chip, effektiv repliziert Drogen – und Strahlung-induzierte Toxizität Reaktionen beobachtet in menschlichen Patienten, die in klinisch relevanten Dosen. Der chip ebenfalls repliziert blutzelleanordnung Mängel gesehen bei Patienten mit einer seltenen genetischen Störung, und richtig vorausgesagt, dass die Existenz eines bisher unbekannten Anomalie in das Knochenmark des Patienten. Die Forschung, die durchgeführt wurde in Zusammenarbeit mit den Ermittlern bei der Boston Children ‚ s Hospital, Dana-Farber Cancer Institute, Massachusetts General Hospital, und AstraZeneca, veröffentlicht in der Natur der Biomedizinischen Technik.

„Herkömmliche in-vitro-Kulturen von Knochenmark, die Zellen oft nicht voraussagen, wie sich unser Knochenmark verhält, wenn Sie ausgesetzt hematotoxic Drogen, auch wenn diese Kulturen behandelt werden Konzentrationen und Zeiträumen, die mit denen, von erfahrenen Patienten“, sagte co-Erstautor David Chou, M. D., Ph. D., ein Klinischer Fellow am Wyss-Institut und in der Abteilung für Pathologie am Massachusetts General Hospital und der Harvard Medical School (HMS). „Im Gegensatz zu den klassischen Kultur-Methoden, die Knochenmark-Chip sorgt für eine physiologisch exakte mikroumgebung und ermöglicht dynamische Medikament Dosieren, was vielleicht erklärt, warum unser Modell wurde eine bessere Vorhersage von Arzneimittel-induzierten Toxizität Antworten.“

Gebäude besser Knochenmark

Die Knochenmark-Chip entstand aus der Arbeit co-finanziert von der US Food and Drug Administration (FDA), die wollten ein Werkzeug zur Untersuchung der Auswirkungen der akuten Strahlung Syndrom Knochenmark und der biopharmazeutischen Unternehmens AstraZeneca. Ingber ist team entwickelt hatte, die eine frühere version von Knochenmark-Chip mit Unterstützung der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), die Sie integriert in einem multi-Organ-Chip-menschlichen „Körper-on-Chips“ – Plattform, die quantitativ prognostiziert menschlichen Droge-Pharmakokinetik in vitro beschrieben ist, in zwei separaten Artikeln in der gleichen Ausgabe von Nature Biomedical Engineering.

Die Knochenmark-Chip USB-Größe und aus klarem Silikon-Kautschuk, mit zwei hohlen, parallele Kanäle, getrennt durch eine semipermeable Membran. Der top-Kanal ist gefüllt mit menschlichen Patienten gewonnenen Knochenmark-Progenitorzellen (CD34-Zellen) und Knochenmark-Stromazellen in eine matrix eingebettet gel zu imitieren, die drei-dimensionale Natur von Knochenmark-Gewebe, während der untere Kanal ist ausgekleidet mit menschlichen Endothelzellen zu imitieren, die Blutgefäße, durchdringen das Knochenmark. Ein flüssiges medium, das unterstützt das Wachstum von CD34-Zellen und deren Differenzierung in eine Vielzahl von verschiedenen Blut-Zellen Flossen durch die Gefäß-Kanal zum einspeisen der Zellen im Knochenmark und entfernen Sie Abfall.

Die Forscher kultivierten Knochenmark-Chip für bis zu 28 Tage, und verglichen den Zustand der Zellen in dem chip mit CD34-Zellen, die angebaut wurden, entweder im statischen suspensionskulturen oder statische gel-Kulturen in einer Platte in mehrere timepoints. Die Knochenmark-Chip verbessert das überleben der CD34 progenitor Zellen und unterstützt das Wachstum und die Differenzierung von Neutrophilen Granulozyten (weiße Blutzellen) und Erythrozyten (rote Blutkörperchen), die über einen längeren Zeitraum als die beiden anderen Methoden. Darüber hinaus sind einige der reiferen migrierten Neutrophilen Granulozyten aus dem Knochenmark-Kanal in den vaskulären Kanal der chip, die imitiert das Verhalten von Zellen in lebenden Wesen.

Entmystifizierung von Drogen Toxizität

Bestätigt, dass das Knochenmark Chip rekapituliert das Wachstum, die Reifung und migration von Knochenmarkzellen in vivo beobachtet, das team weiter getestet, ob es Vorhersagen konnte, drug-induced bone marrow toxizitäten genauer als die statische suspension oder ein gel Kulturen. Sie wuchs Knochenmark-Zellen für 10-12 Tage mit allen drei Methoden, dann belichtet Sie für zwei Tage zu einer Reihe von Konzentrationen der Chemotherapie-Medikament 5-fluorouracil, das ist bekannt, dass Knochenmark-Toxizität. Die Knochenmark-Chip angezeigt, die zu erwartenden Schäden und den Tod von Zellen im Knochenmark bei Patienten-relevanten Konzentrationen und expositionszeiten, während die andere Kultur Methoden erforderlich, viel höhere, potenziell unsichere Droge Ebenen, bevor die Anzeige Toxizität Verhalten.

Um zu sehen, ob seine Aussagekraft würde sich als nützlich erweisen, für präklinische Arzneimittelsicherheit Tests, die die Forscher als Nächstes ausgesetzt Knochenmark-Chip, um ein AstraZeneca-Medikament Kandidat, AZD2811, das derzeit in Phase II der klinischen Entwicklung für die potenzielle Behandlung von Krebs. In früheren Phase-I-Studien, bei Verabreichung als ein pro-drug, eine 2-Stunden-infusion Herstellung eines high peak-Konzentration von AZD2811 verursacht eine Abnahme in beiden roten und weißen Blutkörperchen, während ein 48-Stunden-infusion zu produzieren eine niedrigere Konzentration verursachte einen größeren Rückgang der weißen Blutkörperchen, aber erstaunlicherweise hatte keine signifikante Wirkung auf die roten Blutkörperchen. Das Wyss-team war in der Lage, genau zu replizieren die klinische Studie Patienten drug exposure profile (Pharmakokinetik) auf die Knochenmark-Chip, und sah, dass die chips angezeigt, die zu erwartenden klinischen Ergebnisse, während die Aussetzung Kulturen derselben Zellen nicht.

Außerdem verwendete das team der Knochenmark-Chip zu untersuchen, AZD2811 der Mechanismus der Aktion, die wäre schwierig zu Studie an menschlichen Patienten ohne Durchführung einer Knochenmark-Biopsie bald nach drug infusion. Sie beobachteten, dass die Exposition gegenüber AZD2811 selektiv verringerte sich die Zahl der unreifen Aufteilung Blut-Vorläuferzellen während die Zahl der reiferen roten und weißen Blutkörperchen waren im wesentlichen unverändert die Bestätigung einer vorhandenen Hypothese über, wie das Medikament wirkt sich Zellen im Knochenmark.

Die chips wurden dann ausgesetzt, ionisierende gamma-Strahlung ist ähnlich zu dem, was Krebs-Patienten ausgesetzt sein können, während der Strahlentherapie, die eine weitere mögliche Ursache von Knochenmark-Schaden, und werden Sie wieder angezeigt, die entsprechende Toxizität bei human-relevanten Strahlendosen. Diese Ergebnisse unterstreichen, wie die Knochenmark-Chip verwendet werden könnte, um die Untersuchung der Auswirkungen von Strahlung auf den menschlichen Knochenmark sowie Suche nach neuen Möglichkeiten, um zu mildern, Strahlung verursachte Verletzungen, die das Wyss-team ist derzeit die Erkundung.

„Nicht nur, dass die Knochenmark-Chip-match und vorherzusagen, die Auswirkungen von Drogen und Strahlung auf die menschliche Knochenmark, sondern ermöglicht auch detaillierte Studien über die Physiologie der Zellen, die gesund sind gegenüber Zellen, die beschädigt sind. Diese neue Methode könnte zu einem wichtigen Werkzeug in der präklinischen Prüfung, da könnte es erheblich zu reduzieren unsere Abhängigkeit von Tier-Modelle, die oft nicht zu erkennen und vorherzusagen Nebenwirkungen, sind bekanntlich teuer, und ethische Fragen aufwerfen“, sagte co-erste Autor Viktoras Frišmantas, Ph. D., ein Postdoctoral Fellow an der Wyss Institut. „Wir könnten sogar die Studie, die einen vollständigen Zyklus der menschlichen Knochenmark-Schädigung und Erholung in Reaktion auf Medikamente, das ist nicht möglich, die alternative in-vitro-Modellen oder Tiermodellen.

„Organ-Chip-Technologie hat das Potenzial, zu verbessern und zu beschleunigen, unsere Fähigkeit zu übersetzen, Wissenschaft in innovative Medikamente für Patienten“, sagte Stefan Platz, Senior Vice President für Klinische Pharmakologie und Sicherheit Sciences, R&D bei AstraZeneca. „Unsere gemeinsame Arbeit mit dem Wyss Institute unterstreicht das Potenzial des menschlichen Knochenmark-Chips zu imitieren, Krankheit und Medikament-Verletzungen. Die Fähigkeit zur effizienten Nutzung menschlicher Zellen eher als Tiermodell bietet zahlreiche Vorteile, sowohl in Bezug auf die übersetzbarkeit in die Klinik und die Verringerung der Tier-Nutzung. Diese Veröffentlichung stellt einen wichtigen Meilenstein in der Demonstration, wie diese Systeme genau Vorhersagen kann klinische Auswirkungen.“

Eine subtile finden in einer seltenen Krankheit

Zu Runden Ihre Studien, die Forscher betrachtet, ob Knochenmark-Chips erstellt durch Knochenmark-Zellen von Kindern mit einer bekannten genetischen Störung entwickelt, die Eigenschaften ähnlich denen in der realen Knochenmark von Patienten mit dem gleichen Mangel. Sie konzentrierten sich auf die Shwachman-Diamond-Syndrom (SDS), einer seltenen Krankheit, die verursacht wird durch eine genetische mutation, die Ergebnisse in knochenmarkinsuffizienz mit ungewöhnlich niedrigen Zellzahlen, vor allem, reduziert weißen Blutkörperchen, und die wurde nicht gut untersucht angesichts der geringen Inzidenz und weil Tierische Modelle scheitern zu reproduzieren die bekannten Kennzeichen der menschlichen Erkrankung.

Das team von kultivierten CD34-Zellen aus zwei SDS Patienten mit normalen Knochen-Knochenmark-Stromazellen und endothelialen Zellen im Knochenmark Chips für zwei Wochen und sah, dass Sie diese produziert viel weniger Blut, Zellen und zeigten reduzierte weißen Blutkörperchen, Reifung im Vergleich zu chips, die mit CD34-Zellen von gesunden Spendern, so sehr tritt bei Patienten. Sie auch entdeckt, dass die Neutrophilen Reifung in der SDS-Knochenmark-Chips nicht upregulate das gen produziert das protein CD13 so viel wie Neutrophilen Reifung im normalen Knochenmark-Chips, die bisher nicht erwähnt in der SDS-Patienten. Die Forscher dann überprüft, klinische Daten, die aus dem Knochenmark entnommenen Proben von Patienten mit SDS und festgestellt, dass 50% von Ihnen angezeigt, die dieses abweichende Muster der unteren CD13-expression entdeckt, in der Knochenmark-Chip.

„Diese Erkenntnis eröffnet neue Wege der Untersuchung zu den Ursachen von Knochenmark Versagen“, sagte co-Autor Akiko Shimamura, M. D., Ph. D., Professor für Pädiatrie an der Harvard Medical School (HMS) und Direktor des knochenmarkversagen und Myelodysplastischen Syndrom-Programme an der Dana-Farber/Boston Children ‚ s Cancer and Blood Disorders Center. „Die Entwicklung dieses neuartigen bone marrow failure-Modell bietet eine Plattform zur Erprobung neuer Therapien für diese verheerenden Krankheiten.“

Das team von Forschern und Klinikern ist weiter zu arbeiten mit seinen Mitarbeitern auf die Knochenmark-Chip. Sie untersuchen die biologischen Unterschiede zwischen roten und weißen Blutkörperchen “ Antworten auf AZD2811 und testen, ob der chip kann verwendet werden, zu entwickeln, die gut verträglich Dosierung Therapien. Sie erhielten auch eine zusätzliche Förderung durch die FDA, dieses Modell zu nutzen, um die Suche nach neuen Gegenmaßnahmen zu verbessern Knochenmark Erholung nach Strahlenexposition und zur Erforschung Geschlechts-spezifischen Antworten.