Credit: UC Riverside

Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside są częścią ambitnego planu Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA), mającego na celu wyeliminowanie badań na zwierzętach do 2035 roku. Ich wkład: opracowanie sposobu badania, czy chemikalia powodują wady wrodzone układu mięśniowo-szkieletowego przy użyciu hodowanych w laboratorium tkanek ludzkich, a nie żywych zwierząt.

Nicole zur Nieden, profesor nadzwyczajny biologii molekularnej, komórkowej i systemowej, oraz David Volz, profesor nadzwyczajny toksykologii środowiskowej, są ekspertami w dziedzinie alternatywnych rozwiązań dla badań toksyczności oraz polityki i regulacji w zakresie chemikaliów. Otrzymali oni 849 811 dolarów na hodowlę ludzkich komórek macierzystych w tkankę kościopodobną w celu przetestowania przemysłowych i środowiskowych substancji chemicznych, które mogą zakłócać wzrost płodu.

Wady wrodzone, które wpływają na tkanki mięśniowo-szkieletowe mogą być spowodowane przez składniki chemiczne w pestycydach, środkach grzybobójczych, farbach i dodatkach do żywności. Szkodliwe substancje chemiczne muszą być zidentyfikowane poprzez badania, aby mogły podlegać regulacjom prawnym. Obecnie testy te przeprowadza się na żywych zwierzętach, zwykle gryzoniach, takich jak myszy.

Projekt UC Riverside, prowadzony przez zur Nieden, będzie stymulował ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste, które mają zdolność do rozwoju w dowolny rodzaj komórek, środkami, które kierują je do tworzenia komórek kostnych. Komórki będą przechodziły przez te same etapy rozwoju i będą podlegały tym samym molekularnym wskazówkom, co ludzki embrion. Naukowcy wystawią komórki na działanie wybranych substancji chemicznych w krytycznych momentach, a następnie ocenią je przy użyciu zaawansowanych technik obrazowania i sekwencjonowania następnej generacji.

Komórki kości mogą rozwijać się trzema różnymi ścieżkami. zur Nieden użyje substancji chemicznych, o których wiadomo, że wpływają na określone drogi rozwoju kości, aby poszukać wzorców w tym, jak substancje chemiczne wpływają na te początki. Wzorce te posłużą jako schematy do testowania nieznanych substancji chemicznych. Następnie badacze przetestują nieznane chemikalia i porównają je z wcześniej zebranymi bibliotekami związków, które były już testowane na zwierzętach, aby sprawdzić, jak dokładne są testy w szalkach Petriego lub in vitro do oceny ryzyka.

Cechą charakterystyczną komórek kościotwórczych jest to, że tworzą one matrycę kostną z małych kryształów zwanych hydroksyapatytem, które ostatecznie tworzą fosforan wapnia, biały materiał na powierzchni wszystkich kości. Oszczędna analiza wizualna może pomóc w identyfikacji defektów wapnia.

„Kryształy wapnia wydają się białe, gdy patrzy się na nie oczami” – powiedział zur Nieden. „Ale kiedy oglądasz kultury za pomocą mikroskopii kontrastu fazowego, światło jest odwrócone, więc normalne kryształy wydają się czarne. Nieprawidłowe kryształy będą miały więcej bieli i odcieni szarości. Można użyć algorytmu analizy obrazu do pomiaru czerni na zdjęciach, aby określić, czy wapń uformował się prawidłowo, czy nie.”

Testy na zwierzętach są już powszechne

Naukowcy od dawna wiedzieli, że zwierzęta różnią się od ludzi w istotny sposób pod względem rozwojowym i fizjologicznym, a wyniki testów na zwierzętach nie zawsze są wiarygodne dla ludzi. Co więcej, badania na zwierzętach są kosztowne i czasochłonne, a także coraz częściej niemożliwe do przeprowadzenia ze względów etycznych. Alternatywy bez udziału zwierząt są opracowywane od prawie 25 lat, a niektóre z nich są już standardowe.

„Dla ogółu społeczeństwa, ogłoszenie EPA wydawało się pojawić znikąd”, powiedział Volz, którego laboratorium będzie sekwencjonować messenger RNA w narażonych na działanie chemikaliów komórkach kostnych z laboratorium zur Nieden, aby szukać zmian w ekspresji genów. „To nie stało się z dnia na dzień. Ten pociąg już opuścił stację.”

Volz powiedział, że EPA’s Science to Achieve Results Program, dzięki któremu UC Riverside otrzymał nowy grant, finansuje badania nad alternatywami dla zwierząt od ponad 10 lat.

Plan EPA, aby zakończyć testy na zwierzętach do 2035 roku podąża za wcześniejszymi zmianami w Toxic Substances Control Act, lub TSCA, uchwalonymi w 1976 roku. TSCA upoważnia EPA do regulowania substancji chemicznych znajdujących się w produktach konsumenckich, takich jak środki czyszczące, meble, farby, dywany, ubrania i inne towary konsumpcyjne. Regulacja w ramach TSCA nie ma zastosowania do chemikaliów w żywności, lekach, kosmetykach i pestycydach, które są regulowane na mocy innych praw.

Nawet po TSCA, tysiące powszechnych chemikaliów stosowanych we wszystkim, od plastiku po filtry przeciwsłoneczne, nigdy nie zostały przetestowane pod kątem bezpieczeństwa u ludzi. W 2016 roku Kongres uchwalił ustawę Lautenberg Chemical Safety Act, zmieniającą TSCA, aby zamknąć lukę dla chemikaliów przemysłowych. Ustawa upoważniła EPA do oceny istniejących chemikaliów z jasnymi i egzekwowalnymi terminami, a także do opracowania ocen chemicznych opartych na ryzyku. Promowała stosowanie metod testowania bez udziału zwierząt, co było pożądane zarówno przez przemysł, jak i grupy broniące praw zwierząt.

Animal alternatives might have limits

Nowy plan EPA wprowadza agresywny harmonogram rozwoju testów bez udziału zwierząt, które mogą dokładnie przewidzieć toksyczność u ludzi. Volz powiedział, że Stany Zjednoczone pozostają w tyle za niektórymi innymi krajami na całym świecie, które już znacznie ograniczyły testy na zwierzętach. Powiedział, że ma do czynienia z coraz mniejszą liczbą studentów zainteresowanych badaniami z udziałem zwierząt i że nasza kultura zmienia się w kierunku chęci zmniejszenia cierpienia zwierząt.

Ale ani Volz, ani zur Nieden nie są pewni, że testy na zwierzętach mogą być kiedykolwiek całkowicie zastąpione, stanowisko to jest powtórzone w notatce EPA, która stwierdza, że po 2035 roku, testy na zwierzętach będą zatwierdzane na zasadzie indywidualnej. Niektóre substancje chemiczne, na przykład, nie są bezpośrednio toksyczne dla komórek, ale stają się toksyczne po tym, jak są metabolizowane w organizmie.

„Jeśli twój wynik jest taki, że substancja chemiczna nie zakłóca rozwoju ludzkich komórek macierzystych w naczyniu, jak pewny możesz być, że to nie dzieje się naprawdę u ludzi? Najlepszym sposobem, jaki mamy, aby to ocenić, jest eksperyment na zwierzętach,” powiedział zur Nieden. „Jednocześnie chcemy zrobić to w odpowiedni sposób. Musimy się zastanowić, czy to naprawdę konieczne? Czy możemy spojrzeć na tę kwestię w inny sposób?”

zur Nieden uważa, że potrzebujemy wielopoziomowego systemu, z testami in vitro odsiewającymi najpierw najbardziej toksyczne chemikalia, oraz testami na zwierzętach stosowanymi tam, gdzie testy in vitro nie ujawniają toksyczności.

„Jeśli nie możesz w pełni zastąpić testu na zwierzętach metodą in vitro, możesz przynajmniej zmniejszyć cierpienie zwierzęcia. Jeśli pomyślimy o silnie toksycznej substancji chemicznej, która ma wpływ na matkę narażoną na jej działanie w czasie ciąży, jak również na rozwijające się zarodki, jeśli możemy użyć systemu testowego in vitro do znalezienia wszystkich tych silnie toksycznych substancji chemicznych, nie będziemy musieli testować ich na zwierzętach”, powiedziała.

Poprzednie wersje systemu testowego, który zur Nieden użyje do nowych badań układu mięśniowo-szkieletowego, były w stanie zidentyfikować embriotoksyczne substancje chemiczne dla innych tkanek, takich jak tkanka serca, z prawie 100-procentową dokładnością.