Az ELKH Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) BIOMAG kutatócsoportja is tagja annak a nemzetközi konzorciumnak, amely világviszonylatban is egyedülálló, bárki számára szabadon elérhető és folyamatosan aktualizálható adatbázist hozott létre a háromdimenziós (3D) szerv- és betegségmodelleket alkalmazó, publikált vizsgálatok adatainak minden eddiginél részletesebb feldolgozása révén. A kutatók munkája jelentős mértékben elősegíti az ilyen modellrendszerekre épülő, úgynevezett szferoidalapú kutatások standardizálását. A MISpheroID-adatbázis kidolgozásához vezető kutatás részleteit bemutató közlemény a világ egyik legrangosabb folyóiratában, a Nature Methodsban jelent meg.

A hagyományos kétdimenziós (2D) sejttenyészetek alternatíváját jelentő háromdimenziós (3D) szövet- és szervmodelleket évek óta komoly szakmai érdeklődés övezi, mert igazoltan jobban tükrözik az élő szervezetbeli viszonyokat, a sejtek közötti kölcsönhatásokat és a mikrokörnyezeti hatások jelentőségét, így precízebben reprezentálják a vizsgált élettani vagy kórélettani folyamatokat. Ma már gyakran alkalmaznak ilyen szferoidmodelleket például a máj-, a vese-, a tüdő- és az immunműködések vagy a daganatos betegségek kutatásában, és a várakozások szerint a 3D-kísérletek idővel áttörést hozhatnak többek között a modern, személyre szabott gyógyszeres terápiák kidolgozásában is.

Ugyanakkor egyelőre számos nehézség és megoldásra váró feladat kapcsolódik a 3D-szferoidtechnológiához, legfőképpen azért, mert a kísérletek nem egységes irányelvekre épülnek, a szferoidmodellek standardizálásának hiánya pedig heterogénné teszi az ilyen kísérletes vizsgálatokból levont következtetéseket. Erre az általános problémára kívánt megoldást találni az a nagyszabású, nemzetközi kutatómunka, amely során a konzorcium tagjai több mint 3000 szakirodalmi közleményt tekintettek át e témakörben, és a kísérletek egy részét reprodukálva ellenőrizték a publikált eredményeket.

A publikált kísérletek reprodukálhatósága korlátozott

Kiderült, hogy a szferoidokon végzett vizsgálatok reprodukálhatóságát jelentősen rontja, hogy az ilyen típusú kísérleti modellrendszerek kialakítása nem standard szempontrendszer alapján történik. Ez a gyakorlatban a kísérleti paraméterektől függően jelentős eltéréseket eredményez egyazon szövet vagy szerv két vagy több szferoidmodellje között. Ha pedig a modellrendszer nem egységes, akkor az így végzett in vitro vizsgálatok eredményei is jelentősen különbözhetnek egymástól, ami nagymértékben nehezíti a levont következtetések értékelését és általánosítását, valamint a publikált vizsgálati eredmények szintézisét.

E módszertani korlát kiküszöbölésére hivatott a MISpheroID-adatbázis, amelyből a feldolgozott több mint 3000 közleményben leírt kísérletek összes paramétere lekérdezhető. Ennek segítségével a jövőben precízebben megtervezhetők lesznek az aktuálisan vizsgálandó tudományos kérdésekhez leginkább illeszkedő modellek. A tudásbázis emellett azt is elősegíti, hogy a legújabb kísérletes eredmények átláthatóan, egyazon alapelv szerint rendezve legyenek hozzáférhetők a kutatók számára, előmozdítva ezzel az egyetemi-akadémiai intézetekben folyó, illetve az ipari szektorhoz kapcsolódó kutatómunkát.

A szegedi kutatók már korábban is bizonyítottak

A Dr. Horváth Péter vezette BIOMAG csoport már korábban is kiemelkedő eredményeket ért el a szferoidkutatás területén, így fontos szerepet tölt be a konzorciumban. Tavaly publikálták egyik olyan munkájukat, amelynek keretében mesterségesintelligencia-algoritmusok által vezérelt, 3D-s szferoidtranszportáló robotot fejlesztettek. A mikromanipulátorral összekötött automatizált mikroszkóprendszer a vezérlő algoritmus segítségével úgynevezett morfológiai (alak szerinti) mintakiválasztást végez, vagyis a kísérletekhez előkészített szferoidok közül kiválasztja azokat, amelyek egységes méretűek és/vagy alakúak, ezzel csökkentve a minták variabilitása okozta mérési hibákat és eltéréseket. A kiválogatott és tetszőleges mintatartóba áthelyezett szferoidokon többek között egyedi gyógyszervizsgálatok végezhetők, így a fejlesztett rendszer kiválóan alkalmas például daganatos sejtkultúrák újgenerációs háromdimenziós vizsgálatára, akár nagy mintaelemszámú (szakszóval nagy áteresztőképességű) formában is.

Mindezek mellett a 3D-modellszervezetek vizsgálataihoz kapcsolódó képalkotás, és az így nyert képi információk informatikai feldolgozása terén is komoly előrelépéseket tett a szegedi kutatócsoport. Humán karcinóma (rákos daganat) eredetű szferoidok esetében sikerült minden eddiginél mélyebb, egysejt-szintű felbontást elérniük, ami a személyre szabott daganatterápiában elengedhetetlen a potenciálisan leghatékonyabb terápiás szer vagy szerek kiválasztásához. Eredményeiket nem csak rangos nemzetközi publikációk fémjelzik, ugyanis az általuk létrehozott 3D-s képi adatbázist, illetve a képeket kiértékelő algoritmust a csúcstechnológiás orvostechnikai eszközöket és mikroszkópokat gyártó Leica cég a saját weboldalalán is elérhetővé tette a felhasználók számára, felhívva ezzel a figyelmet a magyar kutatók által elért teljesítményre.

Tudni kell, hogy a 3D-modellszervezetek egysejt-szintű képi adatainak informatikai feldolgozása ma még komoly kihívást jelent, mivel a feldolgozáshoz szükséges számításigény és tárterület erősen korlátozza az előrehaladást, ugyanakkor a 3D-modellek kvantitatív elemzésének és a legtöbb képkiértékelő algoritmus működésének – így többek között a mélytanuló algoritmusoknak is – elengedhetetlen feltétele az egysejt-szintű adathalmaz. A szegedi kutatók által kidolgozott új algoritmus (3D-Cell-Annotator) ezeket a nehézségeket képes kiküszöbölni. A szoftver gyakorlati alkalmazhatóságát összehasonlító kísérletek is igazolják.

A gyakorlati hasznosítás irányai

A 3D-s szövet- és szervmodellek alkalmazása komoly előrelépést vetít előre a személyre szabott tumorterápiában, illetve a gyógyszerkutatásban, ehhez azonban elengedhetetlen a módszertani irányelvek és a kísérletes paraméterek standardizálása. Horváth Péter és kutatótársai reményei szerint a MISpheroID-tudásbázis kimagasló jelentőségű lépés ebbe az irányba, mert összehasonlíthatóvá teszi a világ bármely pontján dolgozó kutatók és a különböző laboratóriumok kísérleti eredményeit, valamint iránymutatást ad a jövőbeli kutatásokhoz.