”Organ-på-chip: innovativa biomedicinska material gör det möjligt att komma bort från djurförsök

Innovativa biomedicinska material, som framgångsrikt utvecklats av litauiska forskare, är ett av de viktigaste alternativen för att konstruera modeller som efterliknar mänsklig vävnad och minska antalet djurförsök.

Innovativa biomedicinska material används redan inom toxikologi, in vitro-testning, studier av föroreningars effekter på människor, testning av bekämpningsmedel, olika jordbrukskemikalier och läkemedel.

Tredimensionella vävnadsmodeller – konstruktioner som skapas med hjälp av biomedicinska material för att mer exakt simulera strukturen och funktionen hos mänskliga vävnader. Konstruktioner som efterliknar den naturliga mikromiljön för mänskliga eller animaliska celler skapas med hjälp av elektrospinningsteknik eller bioprintning.

Den här typen av konstruktioner främjar celltillväxt och cellspridning, vilket öppnar dörren för mer detaljerade toxikologiska in vitro-studier. Detta eliminerar användningen av djur i toxicitetsstudier in vivo på människor.

Kan testa levern och efterlikna mänsklig hud

”Organs-on-Chips är en annan innovativ teknik som gör det möjligt att skapa miniatyrmodeller av mänskliga organ i mikrofluidiksystem.

Exempelvis kan modeller av ”lever” eller ”njure-på-chip” användas för att i detalj studera kemikaliers effekter på organens funktion.

Dessa tekniker säkerställer inte bara en hög precisionsnivå utan minskar också behovet av djur, vilket gör det möjligt att utföra de nödvändiga studierna direkt på mänskliga organceller.

Bioaktiva material som kollagen och hydrogeler används för att skapa mänskliga vävnadskonstruktioner som stödjer specifika cellfunktioner.

Exempelvis kan hydrogeler med levande mänskliga celler skräddarsys för att efterlikna hud- eller lungvävnad som används för toxikologiska tester av kosmetika eller luftföroreningar.

Detta möjliggör mer exakta förutsägelser av människors reaktioner på olika kemiska föreningar utan djurförsök.

Reproducerar lungepitel

Med hjälp av biomedicinska material och levande mänskliga celler utvecklas mänskliga vävnadsmodeller för att efterlikna specifika vävnadsstrukturer. Exempelvis kan modeller av det mänskliga lungepitelet användas för att studera effekterna av luftburna föroreningar på människors hälsa.

Dessa modeller är tillverkade av fibrösa konstruktioner som efterliknar den naturliga mikromiljön i lungvävnad, vilket ger cellerna det utrymme och de förutsättningar de behöver för att växa och fungera som i ett riktigt lungepitel.

De fibrösa konstruktioner som används vid utvecklingen av modellerna kan tillverkas av en mängd olika biokompatibla material som på ett realistiskt sätt kan efterlikna vävnadens naturliga egenskaper, t.ex. elastin, kollagen och syntetiska polymerer.

Konstruktens struktur gör det möjligt för celler att fästa och växa och därmed bilda den tredimensionella vävnadsstruktur som krävs för riktad och tillförlitlig forskning.

Lungepitelmodeller kan användas för att studera effekterna av olika föroreningar, t.ex. kemikalier eller nanopartiklar, på människors hälsa.

Med hjälp av dessa modeller kan man genomföra detaljerade toxikologiska och mutagena studier för att förstå hur olika ämnen kan påverka lungfunktionen och orsaka sjukdom.

Sådana modeller möjliggör mer exakta förutsägelser av föroreningarnas effekter på människors hälsa, vilket är särskilt viktigt för att bedöma säkerheten hos nya kemiska föreningar och industriella ämnen.

Minska användningen av djur i forskningen

En av de största fördelarna med att använda modeller av fibrösa mänskliga vävnader är den resulterande potentialen att minska behovet av djur inom forskningen.

Djurförsök står inte bara inför etiska och djurskyddsmässiga utmaningar, utan även vetenskapliga utmaningar som t.ex. arternas olika biologi.

När man försöker tillämpa resultaten av dessa studier på människor leder artskillnader till felaktiga resultat i enskilda fall, vilket gör innovativa biomedicinska material till ett avgörande forskningsverktyg.

I framtiden förväntas utvecklingen av tillverkningstekniker för biomedicinska material möjliggöra en ännu mer exakt och utbredd användning av vävnadsmodeller inom forskningsområden som sträcker sig från farmakologi till miljö.

Nya material och tillverkningstekniker, som t.ex. tredimensionell bioprintning, gör det möjligt att skapa alltmer komplexa och funktionella vävnadsmodeller som integrerar blodkärl och andra vävnadskomponenter.

Detta öppnar upp för nya möjligheter inom både vetenskap och industri, samtidigt som högkvalitativ och etisk forskning säkerställs.

”Hud-på-tjocklek

”Skin-on-chip-modeller möjliggör effektivare studier av kosmetiska och farmaceutiska produkters effekter på mänsklig hud. Dessa modeller kan användas för att korrekt bedöma produkternas säkerhet och effekt utan att använda djur.

På så sätt undviks de problem som är förknippade med användningen av djur och testresultaten blir mer exakta eftersom de bättre återspeglar mänskliga hudreaktioner.

Modellerna skapas med hjälp av avancerade biomedicinska material och odlas med hudceller som efterliknar hudens naturliga struktur.

De cellulära konstruktionerna, som består av kollagen, elastin och syntetiska polymerer, skapar rätt mikromiljö för celltillväxt och spridning, vilket säkerställer en mer realistisk reproduktion av den mänskliga hudens struktur och funktion.

Dessa modeller är särskilt användbara för att undersöka säkerheten och effekten hos kosmetiska produkter, t.ex. krämer och lotioner, samt läkemedel för behandling av hudsjukdomar.

De gör det möjligt att fastställa produkternas effekter på hudens barriärfunktion, fuktretention, inflammatoriska reaktioner och andra viktiga parametrar.

I framtiden väntas mer sofistikerade och funktionella modeller av hud på chip utvecklas, där komponenter som blodkärl och sensoriska receptorer integreras.

Detta kommer att möjliggöra mer detaljerad och exakt forskning, vilket bidrar till utvecklingen av kosmetiska och farmaceutiska produkter av högre kvalitet.

Implementering av 3R-principen

Användningen av innovativa biomedicinska material bidrar till 3R-principen (replace, reduce, refine) för att minska användningen av djur i forskning och för att skydda djurens välbefinnande:Ersätt djur som används i forskning med modeller som efterliknar mänsklig vävnad;

Minska behovet av djuranvändning genom att begränsa forskningen till endast nödvändig forskning;

Förbättra forskningsmetoderna för att få fram mer exakta och tillförlitliga data.

Fiberkonstruktioner och organ-på-ett-chip-teknik gör det möjligt att skapa fysiologiskt liknande strukturer som mänskliga kroppsvävnader för toxikologiska och farmakologiska studier, och därmed undvika djurförsök.

Innovativa biomedicinska material öppnar nya möjligheter för djurfria toxikologiska och miljömässiga studier av människors exponering för föroreningar.

Tredimensionella vävnadsmodeller och organ-on-a-chip-teknik möjliggör högkvalitativ simulering av mänskliga vävnader och studier av kemikaliers effekter på människors hälsa.

Dessa nya tekniker bidrar till etisk vetenskaplig praxis och ökar forskningens noggrannhet och tillförlitlighet.

KTU:s forskare, i samarbete med Lithuanian University of Health Sciences (LSMU), Centre for Innovative Medicine och Luxembourg Institute of Science and Technology, utvecklar och forskar aktivt kring nya biomedicinska material för avancerad toxikologi, regenerativ medicin och cancerforskning, och bidrar därmed till att lösa globala problem inom människors hälsa och miljö.

Dr. Edvinas Krugly, seniorforskare, fakulteten för kemisk teknik, Kaunas tekniska universitet