Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали новую технологию, которая может быть использована для изучения новых лекарственных препаратов и выявления их возможных побочных эффектов до тестирования средств на людях, сообщается в пресс-релизе вуза. Используя микрофлюидную платформу, способную соединять "спроектированные" ткани из десяти различных органов, учёные могут точно воспроизводить взаимодействие человеческих органов на протяжении нескольких недель. Всё это позволяет оценить воздействие лекарств на различные части тела.
По сути учёные связали вместе десять миниатюрных моделей различных человеческих органов, чтобы создать самое близкое к тому, что исследователи называют "организм-на-чипе" (body on a chip). Система работала на протяжении четырёх недель и позволила специалистам проверить действие распространённого болеутоляющего средства на нескольких органах.
Поясним, что учёные уже давно обсуждают возможность создания полноценной системы человеческих "органов-на-чипе" (organ-on-a-chip). Таким термином обозначаются небольшие устройства (чипы), в которых функционируют миниатюрные клеточные модели различных органов и тканей, связанные между собой сетью микроканалов, имитирующих кровеносные сосуды.
Проще говоря, образцы человеческих тканей соединены друг с другом при помощи микрофлюидных каналов, в результате чего они воспроизводят взаимодействие нескольких органов. Цель таких системы – смоделировать с их помощью биологические функции человеческого организма.
По словам руководителя исследования Линды Гриффит (Linda Griffith) из MIT, всё это позволяет таким системам являться миниатюрными копиями настоящих человеческих органов, благодаря ему эксперименты на них будут показывать более достоверную картинку, чем на клетках в чашке Петри или животных моделях.
Работы исследовательской группы MIT началась в 2011 году, когда специалисты получили грант в 37 миллионов долларов США от Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Тогда в планах специалистов было соединение десяти подобных "органов-на-чипе" для лучшей имитации человеческого организма.
"Я думала, что это очень амбициозный проект, но в конечном итоге мы это сделали", — говорит Гриффит изданию The Scientist.
Чтобы добиться этого, учёные нуждались в новом оборудовании (платформе, которая позволила бы тканям расти и взаимодействовать друг с другом), а также в "спроектированных" тканях, которые бы точно имитировали функции человеческих органов.
Как сообщается в пресс-релизе, до запуска этого проекта никому прежде не удавалось успешно соединить на одной платформе сразу более нескольких различных типов тканей.
Команда исследователей начала с подключения своих моделей лёгких, кишечника и эндометрии к "печени-на-чипе". Как только им это удалось, они присоединили к системе другие "органы-на-чипе" – мозг, сердце, поджелудочную железу, почку и кожу, а также скелетную мышечную ткань. Каждый "орган" состоит из кластеров от 1 до 2 миллионов клеток.
Конечно, такие ткани не копируют орган целиком, но они выполняют многие из его функций. Большая часть тканей была взята напрямую из образцов пациентов, а не из клеточных линий, разработанных для использования в лаборатории. С такими так называемыми "первичными клетками" работать сложнее, но они предлагают более достоверную модель функции органов, говорит Гриффит.
Все ткани в "органах-на-чипе" сохранялись "в добром здравии" на протяжении четырёх недель, и в течение всего этого времени учёные проводили тестирование, сообщает руководитель исследования.
Используя эту систему, команда подвергла воздействию лекарства желудочно-кишечную ткань, как бы имитируя процесс заглатывания препарат человеком и последующее его попадание в желудок. Затем они наблюдали, как препарат перемещается в другие ткани и усваивается.
Специалисты смогли изучить, куда попадал препарат, его влияние на различные ткани и то, как он был расщеплён.
Когда учёные подвергли воздействию распространённого болеутоляющего, препарата под названием диклофенак (который, к слову, истребляет ястребов), "кишечник-на-чипе", оказалось, что другие подобные органы реагировали на препарат так же, как это делают настоящие человеческие органы.
По мнению авторов, такие "органы-на-чипе" послужат для тестирования экспериментальных препаратов и способов лечения, а также для проверки новых методов защиты людей от биологического, химического и радиоактивного оружия.
Не секрет, что новое лекарство тщательно тестирует, прежде чем оно выйдет на рынок. Производители проводят клинические испытания, но ещё до этого этапа новое средство проверяют на животных. И, по мнению многих специалистов, такой способ проверки нельзя назвать идеальными.
Во-первых, подобные исследования являются дорогостоящими, во-вторых, зачастую возникают и этические вопросы, связанные с испытаниями. Кроме того, они не так эффективны, как хотелось бы учёным: животные не всегда реагируют на препараты так, как это делают люди, а разные животные и вовсе имеют отличные друг от друга реакции.
По словам Гриффит, доклинические тестирования на животных могут дать информацию о безопасности и эффективности препарата до начала его исследования на людях, но такие тесты могут не выявить потенциальные побочные эффекты. Более того, лекарства, которые работают на животных, часто терпят неудачу во время клинических испытаний.
Руководитель исследования отмечает, что разрабатываемые ими системы могут в конечном итоге покончить с тестированием на животных.
Система, созданная учёными MIT, сможет, например, определить, будет ли препарат, предназначенный для лечения одного органа, оказывать неблагоприятное воздействие на другой.
"Некоторые из этих эффектов действительно трудно предсказать с помощью животных моделей, поскольку случаи, которые и к ним приводят, могут быть абсолютно специфическими. А с нашим чипом мы можем подвергнуть воздействию лекарства и затем искать эффекты, которые оно оказывает на другие ткани. Это также позволит изучить его воздействие и то, как препарат усваивается", — объясняет учёный.
Примечательно, что и клинические испытания также можно легко скомпрометировать, поскольку разные люди по-разному реагируют на лекарства (это связано с множеством факторов).
Так что стандартный "орган-на-чипе" может стать быстрым, дешёвым, эффективным и, главное, безопасным альтернативным тестом для ранних клинических испытаний.
"Конечно, мы ещё далеки от того, чтобы иметь настоящий "организм-на-чипе". Перед нами лишь небольшая имитация человека", — говорит Гриффит.
В настоящий момент она и её коллеги работают над способами добавления бактерий в "кишечник-на-чипе", чтобы лучше понимать роль микробиоты (совокупности бактерий и других микробов, живущих в его организме). К слову, она действительно важна. Ряд исследований показал, что кишечные бактерии влияют на лечение серьёзных заболеваний.
Специалисты также разрабатывают модельную систему болезни Паркинсона, включающую ткани мозга, печени и желудочно-кишечную ткань. Они планируют использовать систему для изучения гипотезы, что бактерии, которые находятся в кишечнике, влияют на развитие этого заболевания.
Другим применением системы может быть моделирование опухоли, которая метастазируют в другие части тела, заключает Гриффит.
Результаты работы учёные представили в научном издании Scientific reports.
Добавим, что другие исследовательские группы также добились больших успехов в этой сфере. Одни впервые напечатали "сердце-на-чипе" со встроенными датчиками, другие создали первую искусственную репродуктивную систему "на чипе", которая имитирует женский менструальный цикл.
