Оно живое: Легкое-на-чипе

Полупрозрачное устройство дает возможность взглянуть на работу человеческого легкого, не вторгаясь внутрь организма. Оно может стать ценным инструментом для изучения влияния экологических токсинов и действия медицинских препаратов. В результате могут быть значительно упрощены клинические исследования многих медикаментов, которые на данный момент могут стоить более 2 млн. долларов для одного вещества. 

Возможность использования «легкого-на-чипе» для прогнозирования поглощения взвешенных в воздухе частиц и имитировать воспалительные реакции, вызванные патогенными микроорганизмами, является доказательством работоспособности концепции, согласно которой «органы-на-чипе» в будущем смогут заменить многие клинические исследования на животных. 

С каждым вздохом воздух поступает в легкие, заполняя микроскопические пузырьки, называемые альвеолами, после чего кислород поступает в кровь через тонкие, гибкие проницаемые мембраны клеток легочной ткани. Именно эта трехслойная система – клетки легких, гибкий проницаемый внеклеточный матрикс и кровеносные капилляры – выполняет основную задачу легких. Более того, эта «троица» распознает «интервентов», таких как вдыхаемые бактерии и токсины, и активизирует иммунный ответ. 

Поместив два слоя живых тканей – альвеолы и капилляры – на основу из пористого, гибкого материала, ученые из Гарварда реализовали новый подход к тканевой инженерии. Воздух поступает в клетки, по капиллярам течет насыщенная питательная среда, имитирующая кровь, а циклические растяжения имитируют дыхание. Устройство было создано при помощи инновационной микротехнологии, использующей химически чистую резину. 

Чтобы проверить, насколько реакция созданного ими устройства на «вторжение извне» соответствует естественной, ученые заставили его «вдохнуть» кишечную палочку E.coli. Одновременно с этим в «кровь» были введены белые кровяные клетки. 

Клетки легких обнаружили присутствие бактерий и активировали клетки капилляров, которые, в свою очередь, вызвали иммунный ответ. В результате белые кровяные клетки смогли достичь воздушной камеры и уничтожить «непрошеных гостей». 

Введение во «вдыхаемый» воздух наноразмерных частиц, подобных находящимся в воздухе и в некоторых промышленных продуктах, привело к проникновению этих частиц в клетки легких. Результатом стало повышенное образование свободных радикалов и воспалительный процесс. Некоторые из «вдыхаемых» наночастиц были обнаружены в «кровеносной системе». Исследователи выяснили, что циклическое растяжение тканей в процессе дыхания значительно увеличивает количество проникающих в кровь частиц. Результаты были подтверждены исследованием на мышах. 

Ученые работают над созданием других «органов-на-чипе», в том числе кишечника и костного мозга, а также модельных раковых опухолей. Существует и используется в исследованиях «сердце-на-чипе», а в перспективе планируется объединять подобные органы в системы, имитирующие часть человеческого организма. Например, система из модельных «сердца» и «легких» позволила бы проверять не только эффективность медицинских аэрозолей, но и отсутствие побочных эффектов, влияющих на сердце.