Informatikai áttörés kell a 3D szervmodellek gyakorlati alkalmazásához

Napjainkban egyre nagyobb érdeklődés övezi a 3D modellrendszereket, amelyek igazoltan jobban reprezentálják az élő szervezetbeli viszonyokat, a sejt-sejt kölcsönhatásokat és a mikrokörnyezeti hatások jelentőségét, mint a hagyományos kétdimenziós sejttenyészetek. A szferoidokkal, organochipekkel és organoidokkal végzett kísérletekből nyerhető adatok kiértékelése azonban ma még nem kiforrott – komoly számítástechnikai fejlesztések szükségesek ahhoz, hogy valóban értelmezni tudjuk mindazokat az információkat, amelyeket a 3D szervmodellek szolgáltatnak.

A világ három vezető sejtanalitikai-bioinformatikai társasága, név szerint a European Cell-based Assays Interest Group (EuCAI), a Society of Biomolecular Imaging and Informatics (SBI2), valamint a Society for Laboratory Automation and Screening (SLAS) közös publikációban hívja fel a tudóstársadalom figyelmét a 3D betegségmodellek alkalmazásának megoldásra váró problémáira. A világ egyik legrangosabb (IF: 57) élettudományi összefoglaló folyóiratában, a Nature Reviews Drug Discoveryben megjelent tanulmányban Horváth Péter bioinformatikus, az EuCAI elnöke és az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont tudományos főmunkatársa, valamint kollégái SWOT analízissel veszik számba a 3D sejtmodellek tervezésének, mikroszkópos leképezésének és elemzésének, illetve az erre épülő farmakológiai fejlesztéseknek (screening) a fő erősségeit és korlátait, valamint az alkalmazásukban rejlő lehetőségeket és veszélyeket.

Horváth Péter

A modern 3D szövet- és szervmodellek legfontosabb előnye a hagyományos 2D sejttenyészetekkel szemben, hogy jól reprezentálják a sejtek és az intracelluláris mátrix közötti hatóerők által irányított szöveti differenciálódást, illetve azokat a mikrokörnyezeti viszonyokat, amelyek döntő jelentőségűek bizonyos kórfolyamatok előrehaladása és a kóros elváltozások gyógyszeres befolyásolása szempontjából. Ennek köszönhető, hogy a 3D modellek egyedülálló szerephez jut(hat)nak például a neurodegeneratív betegségek vagy a szolid tumorok kifejlődésének és gyógyszeres befolyásolhatóságának tanulmányozásában.

A modelltervezés terén a legfontosabb kihívást ma a szervezetben lévő dinamikai viszonyok leképezése jelenti

– erre hivatottak a még viszonylag újnak számító makro- és mikrofluidikai technológiák, amelyek a szöveteken belüli vérkeringést modellezve hozzák létre a fiziológiás mikrokörnyezet dinamikáját meghatározó erőhatásokat.

Igazolt előnyeik ellenére ugyanakkor a megbízható adatelemzés ma még komoly problémát jelent a 3D modelleken végzett kísérletek során. A hagyományos 2D modellekkel (az ún. „flat biology”-val) összehasonlítva az egy dimenzióval komplexebb környezetből kinyerhető adatok számítógépes feldolgozása és értelmezése mind tárterület-, mind pedig számításigényét tekintve olyan feladat, amelyre az informatika tudománya még nincs felkészülve.

Növelni kell a számítógépes kapacitásokat, és új informatikai adatelemzési módszereket kell kidolgozni

ahhoz, hogy valóban értelmezni tudjuk azt a sokrétű információhalmazt, amellyel a modern 3D modellrendszerek szolgálnak – foglalja össze a megoldásra váró egyik legfőbb feladatot dr. Horváth Péter.

Ha sikerül új szintre emelni az adatelemzést és olyan felhasználóbarát algoritmusokat kidolgozni, amelyek gyakorlati hasznosítása mélyreható számítástechnikai háttérismeretek nélkül is kivitelezhető, általánosan elterjedtté válhat a 3D szervmodellek alkalmazása – nemcsak a kutatóintézetekben, de a klinikumban is, például a daganatos betegek személyre szabott, leghatékonyabb gyógyszeres terápiájának meghatározásához.

A hagyományos sejtmodelleket felváltó, 21. századi betegségmodell-rendszerek elterjedése komoly előrelépést hozhat

többek között a daganatos és a neurodegeneratív betegségek kórélettanának jobb megismerésében, a fenotípusos eltérések klinikai jelentőségének megértésében, és számottevően növelheti a sikeres gyógyszerfejlesztések arányát is – szemléltetik a szakértők a 3D szervmodellek alkalmazásában rejlő legnagyobb lehetőségeket. Kiaknázásukhoz fontosnak tartják ugyanakkor, hogy részletes összehasonlító elemzések révén pontosabban megismerjük az egészséges szöveteket, illetve a kóros szöveti elváltozásokat reprezentáló 3D modellrendszerek fenotípusos, genomikai, proteomikai és metabolomikai jellemzőit, ami nemcsak az egyes modellek validálásához, hanem a gyógyító gyakorlatot előrevivő felhasználáshoz is elengedhetetlen. Az automatizált mikroszkópos leképezés és képfeldolgozás területének is tovább kell fejlődnie ahhoz, hogy a 3D modellrendszerek egészéről azonos minőségű képi adatokat lehessen előállítani, és a 3D képalkotás a nagy áteresztőképességű szűrőmódszerekkel (pl. molekulateszteléssel) is kompatibilis legyen.

A szerzők hangsúlyozzák, hogy ígéretes és előremutató mivoltuk ellenére a 3D modellrendszerek gyakorlati felhasználása ma még messze nem kiforrott.

Szorgalmazzák az ipar és a kutatólaborok közötti multidiszciplináris együttműködések szorosabbra fűzését, és olyan módszertani irányelvek kidolgozását, amelyek a 3D modellek kialakításának és validálásának standardizálásával, továbbá a képi adatgyűjtés és adatelemzés standard metodikájának lefektetésével a megbízható gyakorlati alkalmazást szolgálhatják a jövőben.