U novom izveštaju objavljenom u Scientific Reports, Majkl J. Rupar i istraživački tim kompanije Hesperos Inc., Florida, SAD, razvili su funkcionalan, višeorganski sistem bez seruma za kultivaciju P. falciparum — protozoa koji pretežno izaziva teške i fatalne malarije, kako bi se uspostavile inovativne platforme za razvoj terapeutskih lekova.
Platforma je sadržala četiri konstrukcije ljudskih organa, uključujući hepatocite, splenocite, endotelne ćelije i recirkulacijske krvne ćelije, za interakcije sa parazitskim organizmom kako bi se simulirala infekcija. Tim je koristio dva soja P. falciparum; soj 3D7 osetljiv na hlorokin; dobro uspostavljen lek protiv malarije i hlorokin otporan na soj V2. Oni su održavali funkcionalne ćelije u zdravim i bolesnim uslovima tokom 7 dana u recirkulacijskom mikrofluidnom modelu.
Naučnici su demonstrirali efikasnu platformu za terapijski razvoj gde je tretman hlorokinom značajno smanjio parazitemiju u modelu 3D7 soja. Oni su koristili ovu postavku za određivanje terapijskog indeksa da bi procenili toksičnost van cilja za antimalarijski tretman na način koji zavisi od doze. Rezultati mogu uspostaviti novi pristup za procenu antimalarijskih terapija na realističnom ljudskom modelu koji je održavao cirkulaciju krvi tokom 7 dana.
Životni ciklus parazita se odvija u dve faze: tokom krvnog obroka, sporozoiti se oslobađaju iz pljuvačke komaraca, koji zatim putuju kroz perifernu cirkulaciju krvi do jetre da bi se replicirali unutar hepatocita. Ovo rezultira obiljem merozoita u roku od nekoliko dana koji se zatim oslobađaju iz rupturiranih hepatocita da bi se kretali od jetre do krvotoka.
Životni ciklus merozoita je aseksualan i eritrocitni, gde se parazit razvija inficiranjem krvnih zrnaca. Brza aseksualna replikacija podstaknuta hemoglobinom domaćina dovela je do toga da merozoiti uđu u stadijum prstena, za 48 sati da bi potom sazreli u trofozoite i šizonte, koji nastavljaju da rastu i repliciraju se sve dok ne eksplodiraju, oslobađajući još merozoita da bi ponovili ciklus infekcije.
Malarija je epidemija koja je u porastu od 2014. do 2020. godine, sa stalnim porastom izveštaja koji naglašavaju pojavu rezistentnih sojeva tokom godina. Kao rezultat toga, bioinženjeri i naučnici o životu žele da razviju nove pristupe za razvoj protiv malarije u borbi protiv progresije bolesti.
Parazit Plasmodium izaziva malariju i prenosi ga ženka komarca Anopheles. Od ovih varijanti, vrsta falciparum je najsmrtonosnija i prvenstveno je odgovorna za niz teških slučajeva malarije.
Svetska zdravstvena organizacija ima za cilj da globalno smanji učestalost i smrtnost od malarije za 90 procenata do 2030. godine. Istraživači žele da postignu ovaj cilj istraživanjem novih platformi za proučavanje lekova za ovu bolest. Jedan takav pokušaj je Rupar i njegov kolega razvoj multiorganske, pretkliničke platforme za otkrivanje lekova protiv malarije koja može uspostaviti i održavati zdrava i bolesna stanja, kao isplativ metod za životinjske modele.
Rupar i dr. korišćena su dva soja P. falciparum; soj osetljiv na hlorokin i otporan na hlorokin, koji su uspešno održavani tokom perioda od 8 dana u modelu sa više organa. Naučnici su uspostavili ovaj instrument za procenu terapije malarije kod ljudi, kako bi ispitali efikasnost i bezbednost platforme, dok su takođe istraživali bezbednost terapeutskog indeksa za dodatne studije. Rupar i njegove kolege razvili su mikrofluidni uređaj koji sadrži tri komponente za pločice jetre, slezine i endotelnih ćelija.
Sistem bez pumpe uveo je gravitacioni tok u sistem sa više organa sa sinusoidnim ljuljanjem, sa relevantnim fiziološkim parametrima. Konstruisanjem modela malarije na čipu sa mikrofluidikom bez pumpi, oni su obezbedili recirkulaciju primarnih ljudskih crvenih krvnih zrnaca da bi simulirali preliminarne faze sistemske infekcije parazitom P. falciparum.
Naučnici su okarakterisali ćelije u sistemu sa više organa sklapanjem ćelija na čipovima bez parazita na platformi malarije na čipu. Oni su sproveli studiju tokom 7 dana da bi utvrdili vitalnost, funkciju i izgled ćelija u zdravom mikrofiziološkom sistemu tokom 7 dana. Tim je zatim proučavao životni ciklus parazita unutar instrumenta i uključio dva soja; soj 3D7 i soj V2 koji su osetljivi na hlorokin i otporni na hlorokin.
Istraživači su posmatrali sve faze tokom 8 dana, da bi utvrdili nivo parazitemije u svakom sistemu.
Tim je zatim proučavao održivost funkcionalnih ćelija u instrumentu sa organskim čipom gde su sadržavale crvena krvna zrnca inficirana ili sojem ili neinficiranom krvlju tokom 8 dana kulture. Koristeći fazno snimanje, uhvatili su funkcionalne ćelije pre sklapanja i odmah nakon rastavljanja 8. dana. Morfološke promene su ukazivale na poremećaj vitalnosti ćelija nakon infekcije sa P. falciparum.
Rupar i kolege su pratili parazitemiju svakih 12 sati i primetili značajno niže nivoe parazita u grupi koja je tretirana. Iako je ovo smanjenje nivoa parazita fluktuiralo između sistema osetljivog na lekove i sistema otpornog na lekove, na kraju su nivoi bili značajno manji u grupi koja je bila osetljiva na hlorokin, u poređenju sa sistemima otpornim na lekove. Nakon rastavljanja instrumenata, nastavili su da proučavaju održivost sastavnih ćelija.
Na ovaj način, Michael J. Rupar i njegove kolege razvili su model bolesti malarije sa četiri organa koji predstavlja infekciju P. falciparum. Koristeći model, tim je utvrdio sve efekte hlorokina van cilja na funkcionalnost ili održivost konstrukcija organa i odredio terapijski indeks za antimalarijsku terapiju. Višeorganska konstrukcija bez seruma je sadržala organe jetre, slezine i endotela kako bi predstavljala isplativ pristup proučavanju antimalarijske terapije.
Ova konstrukcija omogućava biohemičarima i bioinženjerima da proučavaju parazitske interakcije u realnom vremenu unutar mikrofiziološkog okruženja organ-čip i identifikuju predvidive efekte terapijskih jedinjenja van cilja.
