Muitos novos candidatos a medicamentos acabam fracassando porque causam efeitos colaterais graves em ensaios clínicos, embora os testes de laboratório envolvendo culturas de células tenham sido bem-sucedidos. Esta é uma ocorrência comum se as células utilizadas vierem de tecido animal, por exemplo.



Culturas celulares especialmente preparadas feitas de tecido humano, conhecidas como células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (hiPS), permitem maior confiabilidade nos testes, aumentando assim também as chances de um medicamento ser aprovado.

Os pesquisadores da Fraunhofer desenvolveram soluções inovadoras para a produção otimizada de células em biorreatores e criotecnologias exclusivas. Isto está abrindo caminho para o uso eficiente dessas culturas de células no mundo real em testes de toxicidade e descoberta de medicamentos.

Os pesquisadores enfrentam um dilema se os participantes apresentarem efeitos colaterais graves durante os ensaios clínicos para testar novos ingredientes ativos. Muitas vezes, isto significa que o desenvolvimento de um candidato a medicamento promissor será interrompido, de modo que o medicamento nunca chega ao mercado.

Uma das causas principais é que os candidatos a medicamentos são normalmente testados usando modelos de cultura de células in vitro baseados em células animais ou primeiro em animais. Em ambos os casos, há limites para a qualidade da tradução dos resultados do teste em seres humanos. Isso significa que existe o risco de os participantes do ensaio experimentarem repentinamente efeitos colaterais intoleráveis.

Os pesquisadores médicos têm grandes esperanças no que é conhecido como células-tronco pluripotentes induzidas pelo homem (hiPS). Estas células são originárias de tecido humano, pelo que constituem uma base muito mais precisa para determinar como as substâncias irão funcionar em seres humanos do que os testes convencionais.

As células são retiradas de tecido da pele humana ou de uma amostra de sangue e depois passam por um procedimento especial de reprogramação em laboratório. Depois disso, eles não estão mais programados para um único tipo de tecido, por isso são chamados de “pluripotentes”.

Para fins de testes de drogas, as células hiPS podem então ser rediferenciadas em quase qualquer tipo de célula encontrada no corpo humano. Isto reduz significativamente o risco de efeitos secundários indesejáveis ​​que ocorrem em ensaios clínicos humanos subsequentes.

Biorreatores para produção celular ampliada

As células necessárias para os testes são produzidas em biorreatores. Julia Neubauer, chefe do departamento de Cryo &Stem Cell Technologies do Instituto Fraunhofer de Engenharia Biomédica IBMT, fez agora um avanço significativo na multiplicação e diferenciação de células hiPS em um biorreator.

“Agora é possível, pela primeira vez, ampliar o processo para que grandes quantidades de células funcionais sejam criadas em um curto espaço de tempo”, diz Neubauer.

O desafio para os cientistas do Fraunhofer que participaram no projeto conjunto R2U-Tox-Assay foi descobrir a melhor forma de replicar num biorreator as condições ambientais que ocorrem naturalmente no corpo humano, para que as células se multipliquem rapidamente sem qualquer perda de funcionalidade.

"Desenvolvemos e produzimos nosso próprio hidrogel elástico para atuar como substrato específico para o biorreator. As células ficam ali em casa, para que possam proliferar de forma eficaz. Os parâmetros escolhidos nos permitem produzir quantidades relevantes para testes médicos de até vários bilhões de células", explica Neubauer.

Os modelos celulares produzidos desta forma – que podem ser diferenciados em tecidos como músculo cardíaco, pele ou neurônios – podem então ser usados ​​em ensaios para testar candidatos a medicamentos e determinar sua toxicidade. Outra vantagem é que as células hiPS são células humanas que ainda contêm informações do genoma do doador, o que permite desenvolver testes adequados de novos princípios ativos para tratar doenças e distúrbios também com componente genético.

Congelamento flash do criotanque

No entanto, há outra questão tanto para os investigadores de medicamentos como para os centros médicos universitários:armazenamento e disponibilidade de culturas celulares. Os pesquisadores do Fraunhofer colocaram décadas de experiência em criopreservação de células para trabalhar nesta questão.

A Fraunhofer IBMT desenvolveu métodos de criopreservação que não são encontrados em nenhum outro lugar do mundo. O nitrogênio líquido é usado para resfriar os modelos celulares cultivados no biorreator de cerca de mais 23°C até -196° em dois segundos.

Os pesquisadores do Fraunhofer também desenvolveram uma placa especial de cultura celular que pode ser usada primeiro para cultivar as células e depois congelá-las. Combinados com o rápido processo de congelamento, meios especiais de congelamento prejudicam a formação de cristais de gelo no tecido celular, o que danificaria o material e o deixaria mole. “Se você já congelou morangos em casa, conhece esse efeito indesejado”, diz Neubauer.

Ela e sua equipe desenvolveram um protocolo detalhado de criopreservação descrevendo o procedimento correto. O protocolo estabelece parâmetros, como a velocidade de resfriamento e os tempos em que o meio de congelamento precisa para entrar em vigor, para que os tipos específicos de células sejam preservados. Esses métodos garantem que as culturas de células humanas sensíveis reterão toda a sua funcionalidade após serem removidas do armazenamento criogênico e depois descongeladas.

As placas de cultura celular padronizadas tornam possível armazenar e transportar as culturas celulares quase sem limitação para as triagens de alto rendimento utilizadas na pesquisa farmacêutica. Hospitais e laboratórios farmacêuticos podem manter culturas de células em estoque para que tenham sempre as células certas disponíveis para testes de toxicidade e medicamentos.

Melhores testes de candidatos para novos medicamentos

Os conceitos refinados de biorreator e armazenamento criogênico abrem caminho para o uso eficiente de células hiPS no mundo real em pesquisas médicas. Os testes in vitro tradicionais envolvendo células animais e os testes em animais eticamente problemáticos são substituídos por sistemas de testes significativamente mais precisos.

“No geral, as realizações do R2U-Tox-Assay permitem o desenvolvimento mais eficiente e seguro de candidatos a medicamentos para tratar uma série de doenças, incluindo doenças cardíacas e oculares e até distúrbios neurológicos, como a demência”, diz Neubauer.

Fornecido por Fraunhofer-Gesellschaft