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Ein neues Screening-Tool verringert die Notwendigkeit von Tierversuchen

Weil ihre Aufgabe darin besteht, Drogen und andere Fremdstoffe aus dem Körper zu eliminieren, sind die Nieren ein Hauptziel für alle toxischen Wirkungen. Jetzt, nachdem ein effektiver Weg gefunden wurde, menschliche Nierenzellen aus Stammzellen zu produzieren, hat ein Team von Wissenschaftlern die erste tierfreie Screening-Plattform entwickelt, die in der Lage ist, die toxischen Wirkungen von Verbindungen auf die Niere genau vorherzusagen.
Nierenzellen aus unbehandelten Stammzellen (oben) oder behandelt mit Aristolochiasäure (unten), einer in der traditionellen chinesischen Medizin weit verbreiteten toxischen Verbindung und anderen pflanzlichen Heilmitteln, die in vielen Ländern verboten ist.
Bildnachweis: IBN Singapur

In der Zeitschrift Wissenschaftliche BerichteWissenschaftler des Instituts für Bioingenieurwissenschaften und Nanotechnologie (IBN) in Singapur beschreiben, wie sie die Plattform mithilfe von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) und maschinellen Lernmethoden entwickelten.

Neben der Vorhersage der Toxizität stellen sie fest, dass die neue Plattform auch die Verletzungsmechanismen, die ein Medikament hervorrufen kann, korrekt identifiziert, was das Verständnis der Verbindung und ihrer Auswirkungen verbessern kann.

Das Team erwartet, dass das neue Tool nicht nur für Pharmaunternehmen, die die Arzneimittelentwicklung verbessern und beschleunigen wollen, sondern auch für die Lebensmittel- und Kosmetikindustrie sehr nützlich sein wird.

Zusätzlich zu ethischen Bedenken hat die Verwendung von Tieren, um zu versuchen, vorherzusagen, ob ein neues Medikament sicher in Menschen verwendet werden kann, viele Nachteile. Zum Beispiel ist es teuer, zeitraubend und gewährleistet aufgrund von Unterschieden zwischen den Arten nicht unbedingt zuverlässige Ergebnisse.

Die Autoren weisen auch darauf hin, dass die Toxizität eines Medikaments oft erst in den späteren Phasen der Medikamentenentwicklung und manchmal erst nach dem Inverkehrbringen entdeckt wird. Es besteht daher ein Bedarf an Instrumenten, die toxische Effekte viel früher in der Arzneimittelentwicklungsphase nachweisen können.

Darüber hinaus gibt es heute viele Teile der Welt, wie die EU, Indien und Israel, wo es illegal ist, Kosmetikprodukte zu verkaufen, wenn sie an Tieren getestet wurden.

"Hochreine Nierenzellen, geeignet für das Screening von Verbindungen"

Seniorautor Dr. Daniele Zink, IBN Teamleiter und Forschungsleiter, sagt:

"Wir haben das schnellste und effizienteste Protokoll zur Generierung von Nierenzellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen entwickelt. Innerhalb von 8 Tagen ergaben sich hochreine Nierenzellen, die für das Screening von Verbindungen geeignet waren."

Die neue Plattform ist das Ergebnis einer mehrjährigen Arbeit, die frühere Versionen evaluierte. Diese früheren Versionen verwendeten menschliche primäre proximale tubuläre Nierenzellen oder ähnliche Zellen, die von menschlichen embryonalen Stammzellen (hESCs) abgeleitet sind. Aber diese Versionen waren nicht ideal, weil Primärzellen nicht einfach aus dem Körper zu beziehen sind, und es gibt ethische und rechtliche Bedenken bei der Verwendung von HES-Zellen.

Daher wandte sich das Team an menschliche iPSCs, die aus Zellen generiert werden können, die sich leicht im Körper befinden, beispielsweise auf der Haut. Der andere Vorteil von iPSCs besteht darin, dass sie auch dazu verwendet werden können, patienten- und krankheitsspezifische Modelle zu entwickeln, die das Verständnis von Nierenerkrankungen verbessern und die Entwicklung personalisierter Therapien unterstützen können.

Maschinelles Lernen erhöht die Genauigkeit der Vorhersage

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Screening-Plattform ist der Einsatz von maschinellen Lernmethoden. Dies verbessert die Genauigkeit der Vorhersage erheblich. Beim maschinellen Lernen werden Computermethoden eingesetzt, die selbst lernen, zu wachsen und sich zu verändern, wenn sie mit neuen Daten versorgt werden. Dr. Zink bemerkt:

"Wir konnten außerdem Verletzungsmechanismen und Arzneimittel-induzierte zelluläre Signalwege mithilfe automatisierter zellulärer Bildgebung identifizieren. Wir hoffen, dass unsere Arbeit in Zukunft zur Entwicklung sicherer Produkte beitragen wird."

Sie und ihre Kollegen wollen nun mit Partnern aus der Industrie zusammenarbeiten, um ihre Nieren-Screening-Plattformen weiter zu validieren und anzuwenden.

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