Органы-на-чипе: передовые методы доклинических исследований

Зачем разрабатывать органы-на-чипе?

Согласно исследованию Массачусетского технологического института, проведенному в прошлом году, только 10-14% потенциальных противоопухолевых препаратов успешно проходят клинические испытания. Финансовые потери в случае неудачи лекарства-кандидата в клинических испытаниях оцениваются в более чем 1 миллиард долларов США — и более 2 миллиардов, если учесть упущенную выгоду от этих инвестиций. Все крайне заинтересованы, чтобы доклинические испытания лучше предсказывали результаты при применении на людях, причем не только для фармацевтической отрасли. Со своей стороны, мы продолжаем искать более совершенные и надежные доклинические методы оценки потенциала снижения риска бездымных продуктов — продуктов, которые могут заменить сигареты для тех, кто в противном случае продолжал бы курить.

Модели in vitro, т.е. модели, основанные на культурах клеток человека, важны для доклинических исследований, поскольку они позволяют быстро получать результаты испытаний, которые могут иметь большее отношение к биологии человека, чем исследования in vivo, проводимые с участием лабораторных животных. Например, модели in vivo могут иметь трудности с прогнозированием гепатотоксичности у людей. Однако между простой двумерной культурой клеток на чашке и сложным человеческим организмом есть существенные различия. Клетки в нашем организме не находятся в плоском слое: они образуют сложные трехмерные структуры, в которых они находятся в тесном контакте с другими типами клеток с различными функциями.

Клетки в составе настоящего человеческого органа также постоянно подвергаются разного рода физическим воздействиям — например, растяжение легких, сокращение кровеносных сосудов при перекачке крови или давление на кости. В дополнение к подобным воздействиям, человеческий организм состоит из множества органов, которые объединены друг с другом посредством кровообращения. Еще несколько лет назад трехмерную структуру органов, их локальное окружение в теле и их связь друг с другом было сложно воспроизвести in vitro.

 

Устройство легкое-и-печень-на-чипе: как это работает?

Органы-на-чипе помогают усложнить модели in vitro, поскольку трехмерная клеточная культура — фактически, мини-органы — помещается в среду, которая имитирует окружение этого органа в человеческом теле. Совмещение нескольких органов на одном чипе позволяет лучше понять, как разные органы могут работать вместе и влиять на биологию друг друга. Нам удалось вырастить трехмерные культуры клеток легких и печени человека на чипе таким образом, чтобы они были соединены через флюидный канал. Скорость и направление движения питательной среды, циркулирующей между культурами, можно контролировать с помощью смартфона. Система каналов позволяет двум различным культурам совместно использовать окружающую среду и «общаться» путем выделения в нее различных сигнальных молекул, не соприкасаясь при этом напрямую.

Мы использовали наиболее подходящие in vitro модели легких и печени, доступные на сегодняшний день. Клетки HepaRG, сгруппированные в крошечные шарики, называемые сфероидами, использовались для имитации функции печени человека. Для моделирования легких человека бронхиальные клетки культивировали при наличии доступа к воздуху, что позволило сформировать трехмерные структуры с тремя различными типами клеток. Первый тип клеток производит вязкий раствор, который может задерживать патогены и частицы, присутствующие в воздухе. Клетки второго типа имеют на головной части реснички (микроскопические волоски). Эти реснички бьются синхронно, чтобы продвигать раствор и болезнетворные микроорганизмы сторону горла, откуда они могут быть эвакуированы. Последний тип клеток служит ресурсом для замены мертвых клеток.

В целях доказательства работоспособности разработанного устройства Легкое-и-печень-на-чипе мы продемонстрировали преимущества технологии с использованием афлатоксина B1 — известного гепатотоксина и канцерогена, вырабатываемого некоторыми грибами. Сфероиды печени-на-чипе были способны нейтрализовать афлатоксин B1, защищая культуры легких от токсического воздействия. Таким образом, это устройство с несколькими органами на чипе имитирует связь легких и печени, наблюдаемую в человеческом организме, и представляет собой новый подход к изучению токсичности аэрозолей.

 

Трехмерные микроскопические кровеносные сосуды-на-чипе

Совсем недавно в сотрудничестве с Mimetas мы создали микроскопические кровеносные сосуды-на-чипе и смоделировали циркуляцию клеток крови через них. Эта модель более релевантна для биологии человека, чем двухмерная культура клеток, и разработана для изучения атеросклероза — заболевания кровеносных сосудов, связанного с образованием атеросклеротических отложений в артериях человека, которое может привести к инсульту или сердечному приступу. Однослойный эпителий, называемый эндотелием, лежит на границе между циркулирующей кровью и тканью органа. Эндотелий играет критическую роль в таких процессах, как тромбообразование, формирование новых кровеносных сосудов и в некоторых процессах, связанных с атеросклерозом.

Эти искусственные микрососуды были созданы путем заполнения каналов специально разработанного планшета для культивирования клеток матрицей из коллагена, служащего каркасом. Затем эндотелиальные клетки прикреплялись к внутренней части матрикса, образуя микрососуды. Для симуляции кровотока микрососуды заполняли раствором, имитирующим кровь, и осторожно раскачивали. Наши ученые разработали тест, чтобы измерить, какая доля лейкоцитов "прилипает" к внутренней части этих кровеносных сосудов. Другой тест позволяет оценивать молекулярные изменения в самих сосудах, в том числе обнаруживать маркеры воспаления и окислительного стресса. Подобные изменения со временем могут привести к атеросклерозу.

 

Совершенствование методов доклинических исследований

Органы-на-чипе являются крупным достижением в области токсикологических исследований, так как они позволяют объединять трехмерные клеточные культуры в сложные системы, которые дают лучшее представление о биологии человека, чем могут дать простые двумерные клеточные культуры. Тем не менее эта технология требует дальнейшей оптимизации и проверки, чтобы гарантировать ее точность, специфичность и способность прогнозировать данные клинических исследований на людях. Как только это будет достигнуто, органы-на-чипе могут открыть новые возможности в разработке более безопасных, дешевых и эффективных лекарств и продуктов.  

В дополнение к научным публикациям об органах-на-чипе, о которых говорилось выше, мы также недавно опубликовали главы "Kidney-on-a-chip" (глава 7) и "How to build your multiorgan-on-a-chip system: a case study" (глава 15) в книге Organ-on-a-chip: Engineered Microenvironments for Safety and Efficacy Testing. Наконец, вы также можете узнать больше о нашем исследовании, посвященном микрососудам-на-чипе, на сайте INTERVALS.science.