Å erstatte dyreforsøk i medisinsk forskning med nye, alternative verktøy har store fordeler for både oss mennesker og ikke minst for dyrene. I tillegg til å spare dyreliv, setter nye metoder som ikke krever bruk av forsøksdyr menneskekroppens biologi i fokus:
Dyrs og menneskers biologi har flere likheter, men også mange ulikheter. For å kunne forutsi hvordan nye medisiner og medisinske produkter vil opptre nettopp i menneskekroppen trenger vi nye verktøy som kalles in vitro mikrofysiologiske systemer (betydning in vitro: “i glass”, det vil si i laboratoriet, utenom organismen). Bruk av slike verktøy innen medisinsk forskning er avhengig av regulatoriske godkjenningsprosesser, altså bestemmelser satt av myndigheter i inn- og utland, men ikke minst også av utviklingen av nye materialer og teknologier som gjør det mulig å håndtere celler og vev mer fysiologisk korrekt i et laboratorium.
Som forskere ved SINTEF MinaLab er det nettopp dette vi jobber med. I vår lab jobber vi med teknologier på mikronivå; vi lager såkalte mikrofluidikkbrikker som biologer kan bruke videre for å dyrke og håndtere celler på mikronivå. Dette gir nye muligheter for å studere sykdommer og teste nye behandlingsmetoder i laboratoriet. Men det finnes også utfordringer: En begrensende faktor er ofte at materialene brukt i slike mikrofluidikkbaserte forskningsverktøy ikke tillater oss å gjenskape biologien slik den er i naturen: de gir oss ikke reelle fysiologiske forhold for langsiktig cellekultivering og -observasjoner.
I denne sammenhengen er oksygen en viktig faktor. Oksygenet er avgjørende for nesten alle levende organismer; det bidrar til å omdanne mat til energi som cellene kan bruke for å vokse og trives. Samtidig kan lavt oksygennivå aktivere uønskede fysiologiske prosesser, som når de varer lenge, til og med kan føre til celledød. Derfor vil relevante in vitro menneskemodeller alltid kreve verktøy som muliggjør et fastsatt og kontrollerbart oksygennivå i flere dager mens man håndterer og analyserer cellene.
I vår lab jobber vi med teknologier på mikronivå; vi lager såkalte mikrofluidikkbrikker som biologer kan bruke videre for å dyrke og håndtere celler på mikronivå. Dette gir nye muligheter for å studere sykdommer og teste nye behandlingsmetoder i laboratoriet.
På MinaLab har vi mye erfaring med design og produksjon av mikrofluidikkbrikker for cellearbeid i silisium, glass og polymerer. Når vi samarbeider med forskere og industrielle aktører, merker vi at det er en økende etterspørsel etter å sette sammen brikker laget av flere ulike materialer – hver med sine spesifikke egenskaper og funksjoner for å utvide brikkens totale funksjonalitet, redusere kostnad og samtidig fokusere på bærekraft.
I et av våre pågående prosjekter, ImuneDroplets, utvikler vi verktøy for å studere interaksjonen mellom virusinfiserte lungekreftceller og en spesiell type immunceller som er naturens egne drapsceller. Denne forskningen kan både bidra til å forstå kreftsykdommen bedre, samt åpne for nye behandlingsmetoder. Vi har som mål å utføre modellering og eksperimenter på både enkeltcelle- og cellepopulasjonsnivå, og gjennom dette vise fram fordelene med å bruke mikrofluidikkverktøy til disse eksperimentene.
I løpet av prosjektet har vi testet polymermaterialet polymetylpenten (PMP) for langvarig cellekultivering, og arbeidet ble nylig publisert. Dette materialet fanget vår oppmerksomhet på grunn av den unike kombinasjon av fysiske og kjemiske egenskaper. Allikevel kunne vi ikke med sikkerhet forutsi resultatene, siden PMP ikke har blitt aktivt brukt til in vitro mikrofysiologiske systemer, før nå.
Adherente epitelceller som dyrkes på mikrofluidikkbrikke av PMP. Foto: SINTEF
Funnene vi gjorde er svært lovende. Vi fant at PMP gjør det mulig å dyrke celler i over 4 dager i mikrofluidikkbrikkene og cellene får tilstrekkelig oksygentilførsel. Vi så også at materialet er stivt og transparent nok til å brukes til høyoppløselig mikroskopi, samtidig som det tåler sterilisering godt.
I et av våre pågående prosjekter, utvikler vi verktøy for å studere interaksjonen mellom virusinfiserte lungekreftceller og en spesiell type immunceller som er naturens egne drapsceller.
PMP tillot like gode oksygennivåer som polydimetylsiloksan (PDMS) – det mest kjente gasspermeable materialet som brukes i mikrofluidikk. I motsetning til PDMS har PMP også tilstrekkelig stivhet til å lage robuste, tynne plater. Det gjør det mulig å gjennomføre høyoppløselige mikroskopianalyser av celler, noe som vanligvis gjøres når celler dyrkes på tynne glassplater som kalles dekkglass.
Utviklingen av prototypingsmetoder i PMP er et samarbeid mellom SINTEF Digital og SINTEF Industri. Nå håper vi at forskningen vår og den nye innsikten i alle de fordelaktige egenskapene materialet PMP har for bruk i in vitro mikrofysiologiske systemer, vil bidra til å bygge pålitelige modeller av menneskets biologi i laboratoriet eller til å studere pasienters celler eller vevsprøver i detalj over tid uten bruk av forsøksdyr.
Prosjektet ImmuneDroplets under grunnforskningsprogrammet (GRIEG) fikk støtte på €1,4 millioner fra EEA Norway Grants.
