Bio không dùng chuột thí nghiệm
⑤ Nuôi cấy tế bào, Organoid, Chip nội tạng… Ba giải pháp thay thế thí nghiệm trên động vật

[비즈한국] Để giải quyết các vấn đề đạo đức trong quá trình phát triển thuốc mới và những hạn chế của thí nghiệm động vật hiện có, các phương pháp thử nghiệm thay thế động vật (NAMs) đang được đưa vào ứng dụng trong thực tế công nghiệp. Để giảm bớt hoặc thay thế việc sử dụng các cá thể động vật, các công nghệ như nuôi cấy tế bào, Organoid (cơ quan mô phỏng) và Chip nội tạng (Organ-on-a-chip) đang được sử dụng theo nhiều cách khác nhau.

Công nghệ ‘nuôi cấy tế bào’ thay thế máu sam biển

Các công nghệ thay thế cũng đang được phát triển tích cực để bảo vệ sam biển, một loài sinh vật biển có nhu cầu bảo tồn ngày càng cao do số lượng cá thể giảm mạnh. Amebocyte được chiết xuất từ máu sam biển là thành phần thiết yếu để kiểm tra ‘độ nhiễm độc tố nội sinh (endotoxin)’ - thứ có thể gây sốc hoặc sốt tử vong trong quá trình sản xuất vắc-xin, thiết bị y tế cấy ghép vào cơ thể và các chế phẩm độc tố botulinum.

Đặc biệt, do đại dịch COVID-19 khiến nhu cầu vắc-xin tăng vọt, cùng với sự tăng trưởng của ngành công nghiệp làm đẹp, thiết bị y tế và sinh học, hàng trăm nghìn con sam biển bị bắt mỗi năm để lấy máu phục vụ mục đích y sinh. Tuy nhiên, người ta ghi nhận các tác động sinh thái như việc một số cá thể bị chết hoặc giảm khả năng sinh sản sau quá trình lấy máu.

Do số lượng cá thể sụt giảm nghiêm trọng vì bị đánh bắt quá mức, Liên minh Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế (IUCN) đã liệt kê một số loài sam biển vào danh sách có nguy cơ tuyệt chủng. Trước tình hình đó, việc sử dụng các phương pháp thử nghiệm thay thế sam biển đang được mở rộng, đặc biệt là tại Liên minh châu Âu (EU). Đáng chú ý, bang New York (Mỹ) đã thông qua luật giảm dần hạn ngạch khai thác thương mại bắt đầu từ năm nay và cấm hoàn toàn việc bắt sam biển phục vụ mục đích thương mại và y sinh kể từ năm 2029.

Trên thế giới, các công ty như bioMérieux của Pháp và Lonza của Thụy Sĩ đã thương mại hóa phương pháp kiểm tra endotoxin dựa trên rFC và rCR sử dụng công nghệ tái tổ hợp gen. Mặc dù có ưu điểm là sản xuất nguyên liệu kiểm tra mà không cần hy sinh sam biển, nhưng vẫn tồn tại hạn chế là cần thêm dữ liệu kiểm chứng đối với các chất khác ngoài endotoxin tiêu chuẩn để áp dụng vào thực tế công nghiệp. Phương pháp kiểm tra endotoxin dựa trên protein tái tổ hợp chỉ sử dụng hỗn hợp một số yếu tố tổng hợp nhân tạo, vì vậy chắc chắn sẽ có sự khác biệt về khả năng phản ứng và phương thức kiểm tra so với phương pháp kiểm tra dựa trên máu sam biển truyền thống.

Điều này trở thành gánh nặng cho các công ty dược phẩm sinh học. Được biết, chi phí đầu tư lớn hơn so với phương pháp kiểm tra cũ do cần thiết kế lại các quy trình vận hành tiêu chuẩn (SOP) cho quy trình quản lý chất lượng (QC). Đây cũng là lý do tại sao mặc dù đã được đưa vào dược điển (sách hướng dẫn quy trình dược phẩm) của nhiều quốc gia như một phương pháp thay thế, nhưng mức độ sử dụng trong thực tế vẫn còn thấp.

Tại Hàn Quốc, CellWeaver đang phát triển nguyên liệu kiểm tra endotoxin dựa trên công nghệ nuôi cấy tế bào.

CellWeaver đã phát triển công nghệ nhân bản các tế bào miễn dịch Amebocyte của sam biển — vốn được biết đến là rất khó nuôi cấy — lên gấp hơn 1000 lần chỉ trong 24 ngày. Cho Jo-sik, Giám đốc điều hành của CellWeaver, giải thích: "Chỉ từ lượng máu thu hoạch từ một con sam, chúng tôi có thể sản xuất đủ nguyên liệu kiểm tra endotoxin cho khoảng 1000 con". Công ty cũng đã phát triển loại dung dịch đông lạnh chuyên dụng với tỷ lệ sống sót trên 95% để bảo quản các tế bào Amebocyte nhạy cảm trong thời gian dài. Qua đó, các yếu tố cốt lõi cần thiết cho việc kiểm tra endotoxin được duy trì ổn định ngay cả sau quá trình nuôi cấy dài hạn.

Giám đốc Jo cho biết: "Vì chúng tôi trực tiếp nuôi cấy các tế bào miễn dịch cốt lõi trong máu sam biển để cung cấp cùng một loại nguyên liệu, nên có thể duy trì khả năng phát hiện như phương pháp cũ". Ông nhấn mạnh thêm: "Kết quả kiểm tra nội bộ các sản phẩm mẫu từ nguyên liệu tự nuôi cấy cho thấy độ nhạy tương đương hoặc thậm chí vượt trội hơn so với các sản phẩm của những công ty dẫn đầu thị trường toàn cầu như Charles River hay Lonza. Hiện tại, chúng tôi đang tiến hành các thủ tục kiểm chứng chính thức tại Viện Nghiên cứu Độc học Quốc gia để nhận được sự công nhận chính thức và đáp ứng các tiêu chuẩn quy định".

Daewoong, 신라젠 (ShillaJen), 강스템바이오텍 (KangStem Biotech)… Chạy đua R&D với công nghệ ‘Organoid’

Organoid là mô hình tế bào 3D được tạo ra bằng cách nuôi cấy tế bào gốc của con người theo không gian 3 chiều, mô phỏng cấu trúc và chức năng của các cơ quan trong cơ thể. Không giống như phương pháp nuôi cấy tế bào 2D phẳng truyền thống, Organoid có cấu trúc lập thể, cho phép tái tạo các đặc tính sinh lý của con người và tương tác giữa các tế bào một cách tương tự.

Mặc dù vẫn còn hạn chế trong việc tái tạo hoàn hảo phản ứng miễn dịch toàn thân hoặc mạng lưới mạch máu phức tạp, nhưng nó được đánh giá là một giải pháp thay thế hiệu quả có thể giảm bớt sự khác biệt giữa các loài thường thấy trong thí nghiệm trên động vật.

Đặc biệt, do có thể dự đoán trước hiệu quả của thuốc và phản ứng độc tính ở cấp độ cơ quan cơ thể người trước khi thử nghiệm ứng viên thuốc trên động vật, Organoid được kỳ vọng sẽ góp phần đáng kể vào việc giảm số lượng động vật thí nghiệm được sử dụng trong giai đoạn sàng lọc ban đầu.

Daewoong Pharmaceutical cũng đang thúc đẩy nội địa hóa công nghệ Organoid. Ngày 28 vừa qua, công ty đã tiếp nhận công nghệ Organoid gan dùng để đánh giá độc tính từ Viện Đánh giá An toàn Thực phẩm và Dược phẩm thuộc Bộ An toàn Thực phẩm và Dược phẩm Hàn Quốc. Daewoong Pharmaceutical có kế hoạch nâng cao hiệu quả R&D bằng cách sử dụng các Organoid mô phỏng cấu trúc gan người và quá trình bài tiết mật để đánh giá chính xác hơn độc tính lên gan của các ứng viên thuốc mới trong giai đoạn tiền lâm sàng.

Một quan chức của Daewoong Pharmaceutical giải thích: "Dù khó công bố các chỉ số cụ thể như độ nhạy hay độ đặc hiệu, nhưng công nghệ này không chỉ đánh giá khả năng sống sót của tế bào mà còn có thể kiểm chứng đa chiều các chỉ số tổn thương và chức năng gan quan trọng như khả năng tiết albumin, AST (aspartate aminotransferase), ALT (alanine aminotransferase), cho thấy khả năng dự đoán rất gần với môi trường cơ thể người thực tế".

Mục tiêu của công ty là mở rộng phạm vi sử dụng Organoid. Hiện tại, dù đã có công nghệ đánh giá độc tính, nhưng công ty dự định sẽ kết hợp các công nghệ Organoid mô hình hóa bệnh tật khác nhau để mở rộng sang cả việc đánh giá hiệu quả và tác dụng của ứng viên thuốc mới. Quan chức này cho biết: "Chúng tôi cũng đang tích cực xem xét các phương án mở rộng đổi mới sáng tạo như giới thiệu công nghệ nền tảng xuất sắc từ bên ngoài có khả năng cạnh tranh toàn cầu".

ShillaJen đã sử dụng mô hình Organoid trong quá trình nhận phê duyệt thay đổi kế hoạch thử nghiệm lâm sàng (IND) cho việc kết hợp ứng viên thuốc chống ung thư ‘BAL0891’ từ Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) vào tháng 10 năm ngoái. Công ty chỉ nộp dữ liệu nghiên cứu tiền lâm sàng dựa trên Organoid thay vì dữ liệu thí nghiệm trên động vật để chứng minh tính hợp lý về lâm sàng của liệu pháp kết hợp. Ngành công nghiệp đánh giá đây là một trường hợp hiếm hoi nhận được phê duyệt thay đổi IND từ FDA chỉ với dữ liệu dựa trên Organoid.

KangStem Biotech đang xây dựng các mô hình Organoid da để áp dụng vào việc sàng lọc và đánh giá hiệu quả của mỹ phẩm cũng như thuốc điều trị bệnh về da. Theo công ty, trong khi da nhân tạo truyền thống có hạn chế về mặt cấu trúc là không có mạch máu hoặc hệ miễn dịch nên khó dự đoán kết quả phản ứng thuốc, thì mô hình Organoid dựa trên tế bào gốc của KangStem Biotech bao gồm cả mạch máu và hệ miễn dịch, từ đó có thể tái tạo và trực quan hóa các phản ứng xuất hiện trên da bình thường như bệnh viêm da cơ địa hay nếp nhăn.

Eo Hae-gwan, Giám đốc điều hành bộ phận phát triển kinh doanh của KangStem Biotech, cho biết: "Mục tiêu của chúng tôi là xuất khẩu công nghệ sang các công ty dược phẩm toàn cầu. Hiện tại, chúng tôi đã ký hợp đồng và đang thực hiện công việc CRO với một công ty dược phẩm toàn cầu và hai công ty dược phẩm sinh học trong nước".

‘Chip nội tạng’ tái hiện môi trường nội tạng cơ thể người

Chip nội tạng (Organ-on-a-chip) là phương pháp thử nghiệm thay thế động vật thế hệ mới, hiện thực hóa cấu trúc và chức năng của các cơ quan người trên một con chip dựa trên công nghệ vi lưu. Vì có thể phân tích phản ứng thuốc dựa trên tế bào người, nó được chú ý vì khả năng tăng độ chính xác trong việc sàng lọc ứng viên thuốc ban đầu và đánh giá độc tính.

Nếu Organoid tập trung vào việc sử dụng tế bào gốc để tạo ra cấu trúc 3D tương tự nội tạng, thì Chip nội tạng đặc trưng bởi việc tái tạo chính xác hơn các phản ứng trong cơ thể con người bằng cách mô phỏng dòng chảy tương tự máu, kích thích cơ học và môi trường di chuyển của thuốc lên tế bào.

Trên thị trường toàn cầu, Emulate và CN Bio đang thương mại hóa các nền tảng Chip nội tạng và mở rộng nghiên cứu chung với các công ty dược phẩm. Emulate đã phát triển nền tảng dựa trên vi lưu kiểm soát chất lỏng qua các ống siêu nhỏ bằng sợi tóc, cung cấp nhiều mô hình nội tạng như gan, ruột, phổi. CN Bio cũng đang sử dụng nền tảng PhysioMimix để nghiên cứu chuyển hóa thuốc và đánh giá độc tính gan.

Tại Hàn Quốc, công nghệ Chip nội tạng cũng đang được phát triển. T&R Biofab đang tiến hành các nghiên cứu liên quan đến Chip nội tạng và tái tạo mô dựa trên công nghệ in sinh học 3D, trong khi Biosolvix đang thúc đẩy phát triển nền tảng mô phỏng sinh học mô phỏng môi trường nội tạng người.

Tuy nhiên, Chip nội tạng hiện vẫn đang đối mặt với thách thức về tiêu chuẩn hóa và sự chấp nhận của các cơ quan quản lý. Vì cấu trúc nội tạng, thành phần tế bào và môi trường chất lỏng được mỗi công ty/viện nghiên cứu thực hiện là khác nhau, nên cần thiết phải thiết lập các tiêu chuẩn chung để so sánh kết quả thử nghiệm. Ngoài ra, để áp dụng vào việc sàng lọc ứng viên thuốc quy mô lớn của các công ty dược phẩm, công nghệ này còn đòi hỏi sự tiêu chuẩn hóa nền tảng, xây dựng hệ thống sản xuất hàng loạt và đảm bảo năng lực cạnh tranh về chi phí.