Весь человеческий организм на чипе.

image credit: Futurama

Признаюсь, что пару лет назад, когда появились первые материалы о лёгком на чипе, доступные широкой публике, я упустил их из виду. Мой интерес к этой теме привлекло интервью с Дональдом Ингбером (Donald Ingber), директором института Уисс (Wyss Institute) при Гарвардском университете.

Начну издалека: все кто когда-нибудь работал с культурами клеток (те самые, что растут в красивой розовой жидкости в инкубаторах), не раз слышали критические замечания. Главный аргумент - результаты, которые мы получаем плохо соотносятся с процессами, реально происходящими в организме, потому что клетки, растущие в чашке Петри, представляют собой слишком упрощенную модель. Хорошо, говорите вы, давайте я буду проверять свою гипотезу на лабораторных животных. Но тут же получаете в ответ, что это слишком сложная модель, которая к тому же не всегда хорошо имитирует процессы, происходящие в организме человека.

Где же выход?

Компромисное решение - это как правило отдельные ткани, выращеные на питательных средах (рафт-культуры кожного эпителия, участки эпителия кишечника и т.п.).  Но в таких системах нет одного важного компонента - механических факторов (растяжение-сжатие, напряжение сдвига и т.п.), которые существенно влияют на то, как работают клетки.

Легкое на чипе

Дональд Ингбер рассказал о новом поколении систем, имитирующих поведение клеток в организме человека, так называемые "органы на чипе". Проще всего их принцип работы можно объяснить на примере первой разработки лаборатории - "легкое на чипе", которое имитирует альвеолы легкого. Само устройство размером примерно с флешку, в котором располагаются несколько тонких канальцев. Главный из них разделяется на эластичной мембраной,  на обеих поверхностях которой располагаются клетки. На стороне, контактирующей с воздухом, сидят клетки альвеолярного эпителия, на противоположной - клетки эндотелия (те самые, что выстилают стенки кровеносных сосудов). Они омываются питательной средойю, выполняющей здесь функцию крови. Циклическая подача воздуха в боковые каналы, непосредственно связанные с мембраной, заставляет её ритмично растягиваться и сжиматься, также как и мембране в альвеолах легкого. Наглядно, работа устройства показана в видео.

Кишечник на чипе

image credit: Royal Society of Chemistry

Весной 2012 лаборатория представила еще одно устройство - "кишечник  на чипе". Принципиально оно повторяет легкое, только здесь на мембране сидят клетки кишечного эпителия, а сама мембрана имеет пальчатые выступы, повторяющие структуру "крипта-ворсинка", характерную для кишечника млекопитающих. Боковые камеры в новом устройстве создают ритмические движения, имитириующие перистальтические движения кишечника. Ученым также удалось успешно "засеять" мини-кишечник симбиотическими бактериями, которые в обитают в кишечнике здорового человека.

Организм человека на чипе

Причина, по которой, эти проекты снова появились в заголовках различых изданий - существенный грант от DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) и NIH (National Institutes of Health). Тридцать два миллиона долларов выделено на развитие проекта с неофициальным названием "тело человека на чипе".  Wyss Institute - лишь один из участников проекта, их партнер - лаборатория из соседнего Массачусеткого Технологического, которая разработала системы, имитирующие печень и систему кровоснабжения органов. Цель проекта заключается в разработке системы (на сегодня в планах 10 связанных между собой органов человека), которая бы позволила не только ускорить процесс тестирования и разработки новых препаратов и оценки влияния различных внешних факторов на ткани человека, но, и что более важно,  увеличить эффективность обоих процессов. Для сравнения, сегодня в разработку новых лекарственных препаратов может быть вложено несколько миллионов (или даже миллиардов) долларов, прежде чем ученые получат возможность протестировать его эффективность на пациентах.

Не думаю, что это повлияет на клинические испытания в ближайшие годы, но в перспективе применение отдельных органов на чипе или целого организма позволит отсеивать неудачные препараты на ранних этапах, тем самым экономя фармакологическим компаниям время и деньги.