Органы на чипе: как и зачем учёные выращивают органы в пробирке?

Есть два стула…

Вы наверняка знаете, что прежде чем испытывать препараты на людях, проводятся исследования на животных. Животные — неплохая модель, но есть проблемы: очень сложно изучать механизмы действия лекарства или развитие болезни в реальном времени. Обычно биологи проводят «детективное расследование» по итогам вскрытия лабораторных животных, однако, конечно, восстановить всё таким образом не получается. Кроме того, в ходе экспериментов с животными возникают этические , финансовые и технические сложности.

Поэтому, чтобы без проблем выяснить, что происходит на клеточном уровне, существуют исследования in vitro (в пробирке): биологи выращивают культуры клеток в лаборатории и изучают их. Но тут минус в том, что клеточные культуры — не лучшая модель живого организма, в искусственной питательной среде пробирки клетки ведут себя не так, как в реальности.

Золотая середина — органы на чипе

✅ Органы на чипе — возможное решение, которое дешевле экспериментов над животными, позволяет с лёгкостью изучать клетки, и при этом не является «сферическим конём в вакууме» . Эти девайсы симулируют условия определенной ткани или органа: там поддерживается определённый уровень кислорода, микронасосы создают аналог тока крови, различные мембраны и другие элементы имитируют структуру органа. Таким образом, создаётся максимально близкое к реальному микроокружение.

Вот как это работает на примере лёгких. В живом организме в лёгких имеются плёнки альвеол, которые растягиваются вдыхаемым воздухом и пропускают кислород в кровь:

Чтобы симулировать этот процесс, в чипе есть разные трубки: вакуумный канал, который расширяется и сужается, симулируя дыхание, воздушный канал и канал кровеносный сосуд:

С помощью такой системы можно в приближенных к живому организму условиях исследовать лёгочные инфекции, а также тестировать лекарства от них! На видео можно посмотреть, как это работает:

Ещё один пример органа на чипе — модель, с помощью которой можно изучать проникновение лекарства через стенку кишечника:

С помощью технологии органов на чипе можно моделировать не только работу одного органа, но также целых систем органов и их взаимодействие. Для этого чипы, соответствующие различным органам соединяют между собой микроканалами, через которые происходит обмен различными веществами.

Зачем, мистер Андерсон, зачем? Во имя чего?

Основное индустриальное применение органов на чипе — разработка и тестирование лекарств, при этом биотехнологические компании адаптируют модели под разные этапы разработки: на ранних стадиях используют самые простые и дешевые девайсы, а на более поздних, близких к клиническим испытаниям на людях — более сложные, технология органов на чипов достаточно гибка.

Однако это не всё! Ещё одно направление в индустрии, где популярны органы на чипе — тестирование биоматериалов. За счёт этой технологии можно посмотреть, как новый биоматериал взаимодействует с определенными клетками в приближенных к реальности условиям.

В академической науке органы на чипе позволяют моделировать заболевания, чтобы выяснять механизмы их возникновения (в перспективе эти исследования могут оказаться полезными для разработки лечения).

Другое направление академических исследований, в которых используются органы на чипе — это изучение микроокружения. Дело в том, что процессы в клетке сильно зависят от внешних условий, и органы на чипе позволяют изучать, например, сигнальные пути, запускаемые в определённых условиях. Микроокружение влияет, в том числе, на возникновение и развитие опухолей, поэтому такие исследования помогают нам бороться с онкологическими заболеваниями.

Одно из интереснейших применений органов на чипе — персонализированная медицина. Идея проста: мы можем взять клетки определённого пациента, вырастить их на чипе и, например, протестировать различные лекарства. Каждый человек — носитель уникальных мутаций, поэтому результаты у всех будут разные, и врач сможет подобрать наиболее эффективное и безопасное средство для каждого пациента.

Быть может, именно за счёт органов на чипе в будущем у каждого человека появится «лабораторный аватар», на котором с нулевыми рисками будут тестировать различные подходы к лечению. Всё это пока что на уровне разработок, однако перспективы органов на чипе в области персонализированной медицины очень велики.

Наконец, последнее применение, которое стоит упомянуть — это конструирование иммунных тканей. Вакцины не раз спасали человечество от эпидемий, а иммунотерапия — одно из эффективных средств борьбы с онкологией.

Но есть проблема: многие испытания проваливаются на поздней стадии, биотехнологические компании теряют деньги, и, что ещё хуже, умирают люди. Вероятно, именно органы на чипе могут заполнить пробел между исследованиями на ранних и поздних стадиях, и для получения рабочего средства понадобится меньше проб и ошибок. Подобные разработки могут помочь человечеству победить онкологические и аутоиммунные заболевания, а также с иммунодефицит.

Но есть и минусы…

Органы на чипе — относительно новая технология, поэтому пока что достоверность данных, полученных за её счёт, не слишком высока. Кроме того, методики плохо стандартизированы, сравнивать результаты разных лабораторий бывает проблематично. Программы для обработки данных, используемые в индустрии, также не всегда подходят для работы с органами на чипе. По этим и другим причинам, регуляторные органы пока что скептически относятся к технологии, но это, скорее всего, дело времени 😉

Не смотря на то, что такие девайсы — это хорошая модель, невозможно воссоздать всю сложность человеческой физиологии, так что эта технология вряд ли когда-то полностью заменит испытания на людях и лабораторных животных.

Источники

Если вам интересно разобраться в этой теме глубже — рекомендуем изучить инструкцию по разработке органов на чипе от Nature 🙂

Другие интересные обзоры:

• Человеческие органы на чипах для моделирования заболеваний, разработки лекарств и персонализированной медицины
• Разработка натуральных и синтетических иммунных тканей

Подписыватесь на БиоЛогику — там мы редко, но метко, публикуем лонгриды по биологии, биоинформатике и биотхенологии.