Stabilizacja świńskich płuc przez 24 godziny jako alternatywa dla eksperymentów na zwierzętach

Płuca świń trafiają zazwyczaj do karmy dla zwierząt albo są po prostu utylizowane. Dwa zespoły badawcze – z dziedziny medycyny i inżynierii – na Uniwersytecie Kraju Saary opracowały jednak metodę, dzięki której takie „produkty uboczne uboju” mogą zostać wykorzystane jako praktyczny i wiarygodny model płucny do badań. Celem jest zastąpienie i ograniczenie testów na zwierzętach, a nawet przewyższenie ich możliwości i wartości naukowej. Naukowcom udało się utrzymać płuca w stabilnym stanie przez 24 godziny, co dotąd nie udało się żadnej innej grupie na świecie. Badania wspiera finansowo rząd Kraju Saary.

Laboratorium badawcze przypomina nie tylko oddział intensywnej terapii – faktycznie nim jest, choć przeznaczonym dla jednego organu. Pośrodku sali stoi stół przykryty niebieską serwetą operacyjną, na którym umieszczono duże szklane pudełko otoczone licznymi aparaturami medycznymi: monitory wyświetlają krzywe parametrów, a kable i przewody łączą maszynę do krążenia pozaustrojowego, respirator i pompy infuzyjne z tylną ścianą szklanego pojemnika. Szyby są tak zaparowane, że początkowo nie widać znajdujących się w środku świńskich płuc w srebrnej kuwecie. Dopiero gdy doktorantka na chwilę wyłącza system nawilżania i usuwa mgłę, organ staje się widoczny. Pochodzi od sześciomiesięcznej świni, jest zaskakująco duży i unosi się rytmicznie podczas wentylacji.

– To żywy organ – podkreśla profesor Sascha Kreuer. – Musimy płuca stale nawilżać i utrzymywać ich metabolizm w aktywności.

Kreuer kieruje Laboratorium Anestezjologii Eksperymentalnej Uniwersyteckiej Kliniki Kraju Saary w Homburgu. Wraz z profesorem Thomasem Volkiem, dyrektorem tej kliniki, oraz inżynierem Christianem Burem, specjalistą od systemów czujników gazowych, pracuje nad ograniczeniem badań na zwierzętach w farmacji i medycynie, zastępując je nowym, uniwersalnym modelem – żywymi płucami.

Zespół Saschy Kreuera i Thomasa Volka jako pierwszy na świecie opracował metodę stabilizacji płuc świńskich, które normalnie trafiłyby do odpadów poubojowych, na okres do 24 godzin – jako żywego organu z aktywnym metabolizmem. W pojedynczych przypadkach udawało się nawet dłużej. – Zazwyczaj uzyskujemy od 12 do 24 godzin. Naszym celem jest standaryzacja procesu, aby organy mogły być stabilne przez co najmniej 24 godziny – wyjaśnia Kreuer. To daje wystarczająco dużo czasu na prowadzenie eksperymentów. – Płuca zużywają glukozę, mają własny metabolizm. Dzięki temu możemy testować leki w warunkach zbliżonych do rzeczywistości i mierzyć ich działanie w powietrzu wydechowym – dodaje.

Cały proces rozpoczyna się o czwartej rano, kiedy zespół badawczy odbiera płuca od rzeźnika. Każdy etap jest precyzyjnie zaplanowany i skrupulatnie dokumentowany – od momentu wykonania testów, przez podanie leków, po działania konieczne do utrzymania funkcji organu. Płuca są wentylowane i perfundowane: specjalne urządzenie zastępuje serce i pompuje podgrzaną do 37 stopni krew świńską, już nasyconą tlenem i dwutlenkiem węgla, do tętnicy płucnej i sieci naczyń włosowatych, skąd wraca do pompy przez żyłę płucną.

Uniwersalna platforma badawcza

– Dzięki temu modelowi płuc tworzymy uniwersalną platformę badawczą, która umożliwia znacznie bardziej zróżnicowane testy niż badania na zwierzętach – tłumaczy Thomas Volk, kierownik Katedry Anestezjologii Uniwersytetu Kraju Saary. W rzeczywistych warunkach można tu testować nowe substancje czynne, na przykład leki wziewne: rozpylane są one bezpośrednio w płucach. Organ można także przepłukać, a uzyskany płyn poddać analizie. – Możemy dodawać substancje czynne do krwi, która zasila płuca, a następnie mierzyć ich stężenie w powietrzu wydechowym, i to w sposób bezdotykowy. Dzięki temu modelowi możemy badać indywidualne dawkowanie leków oraz rozwijać metody monitorowania farmakoterapii – wyjaśnia Kreuer.

Dotychczas stężenia leków oznacza się zazwyczaj poprzez analizy krwi, co jest kosztowne i daje wyniki z opóźnieniem. Jeśli uda się potwierdzić, że leki przechodzą do powietrza wydechowego, byłby to pierwszy krok do szybkiej, prostej i nieinwazyjnej analizy oddechowej. – Możliwe jest także stworzenie modelu infekcji płucnej: możemy zakazić część organu patogenami, a następnie badać wydychane powietrze lub tkanki – dodaje Volk.

Badacze współpracują z innymi jednostkami Uniwersytetu Kraju Saary. – Kooperacja z farmakologią kliniczną czy mikrobiologią medyczną bardzo wzbogaca projekt. Obecnie rozszerzamy współpracę o kolejne zespoły – mówi Kreuer.

Za rozwój platformy badawczej zespół Volka, Kreuera i Bura otrzymał w ubiegłym roku nagrodę Kraju Saary za ograniczanie testów na zwierzętach.

Analiza powietrza wydechowego

Analiza gazów oddechowych to główny kierunek badań Saschy Kreuera. Dzięki wieloletnim pracom udało mu się udoskonalić metodę pomiaru stężenia anestetyku propofolu w wydychanym powietrzu. – Na naszym modelu płucnym wykazaliśmy, że propofol może być metabolizowany w płucach. Dotąd przypuszczano, że tak jest, ale brakowało dowodów – tłumaczy Kreuer. – Możemy w powietrzu wydechowym mierzyć stężenia leków i ich metabolitów, a następnie obliczać stężenie w osoczu krwi i wnioskować o skuteczności terapii czy indywidualnym dawkowaniu – dodaje.

Zespół badawczy od około trzech lat rozwija tę metodę. Nie było wcześniejszych doświadczeń, na których można by się oprzeć. Naukowcy musieli opracować wszystkie procedury utrzymywania płuc przy życiu i dostosować całą aparaturę techniczną – aż po specjalne łączniki między urządzeniami a organem oraz precyzyjne metody analizy gazów oddechowych. W tym zakresie kluczową rolę odgrywa Christian Bur, inżynier i badacz w katedrze metrologii w Saarbrücken, kierowanej przez profesora Andreasa Schützego. Tamtejsi inżynierowie specjalizują się w technikach pomiarów gazowych i sztucznej inteligencji.

System czujników gazowych

– Największym wyzwaniem technicznym jest pomiar substancji w bardzo niskich stężeniach. Powietrze wydechowe to swoisty koktajl wielu gazów – od dwutlenku węgla i azotu po liczne śladowe związki, które różnią się u poszczególnych osób i zwierząt – wyjaśnia Bur. Jego zespół opracowuje nowoczesne sensory do coraz dokładniejszego wykrywania lotnych związków organicznych.

Dzięki temu systemowi techniczne „zmysły” badaczy z Saarbrücken są w stanie wyłowić pojedyncze cząsteczki spośród miliardów innych. Zwykle używane są one do monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach, wykrywania nieszczelności czy kontroli świeżości żywności. Teraz Bur wykorzystuje je do identyfikacji najdrobniejszych śladów substancji w wydychanym powietrzu płucnego modelu. – Czujniki mierzą ciągle stężenia określonych związków i pozwalają obliczać ilość wydychaną w określonym czasie. Używamy półprzewodnikowych sensorów tlenkowych, a ich analizę sygnału stale udoskonalamy – tłumaczy Bur.

W projekt zaangażowanych jest wielu doktorantów i studentów zarówno z kierunków medycznych, jak i technicznych.

Ministerstwo Gospodarki Kraju Saary już dwukrotnie przyznało granty na rozwój tej platformy badawczej. Najpierw wsparło stworzenie modelu testowego, a od sierpnia finansuje projekt kontynuacyjny, w ramach którego wiele procedur ma być zautomatyzowanych.

Grupy badawcze działają w ramach „Platformy 3R Saar” – inicjatywy Uniwersytetu Kraju Saary, skupiającej licznych partnerów, których celem jest zastępowanie, ograniczanie i udoskonalanie testów na zwierzętach (replace, reduce, refine). Platforma systematycznie dokumentuje dostępne w Saarze metody alternatywne, upowszechnia je i łączy badaczy.

Źródło: Universität des Saarlandes