Создание органов и организмов на чипе — это новый подход, объединяющий биологию с микромеханикой и микроэлектроникой. Живые клетки разных органов и тканей помещаются в искусственную среду, с невиданной точностью воспроизводящую условия внутри человеческого тела. Конечная цель — создание «человека на чипе» — уже не выглядит фантастической. Новая технология незаменима для испытания лекарств, но это далеко не все ее возможные применения.
Зоопарк формул
Разработка нового лекарства — многоэтапный процесс, в котором каждый следующий шаг дороже предыдущего. Компьютерное моделирование открывает целый зоопарк перспективных химических формул. Эти молекулы нужно синтезировать и испытать. Обычно испытания начинаются с культур человеческих клеток, выращенных «в пробирке». Если соединение показывает многообещающий результат, переходят к значительно более дорогим испытаниям на животных. И вот здесь большая часть потенциальных препаратов проваливается. Дело в том, что живой орган, а тем более организм, устроен гораздо сложнее, чем аморфная масса клеток в чашке Петри. Поэтому вещество может работать совсем не так, как ожидалось, в том числе иметь неприемлемые побочные эффекты.
Напрашивается решение: создать нечто более похожее на человека, чем культура клеток, но более дешевое, чем лабораторная мышь.
Почти настоящий орган
Возможно, самый перспективный вариант решения проблемы — органы на чипе (organs-on-a-chip). Клетки нужных тканей размещаются на трехмерной подложке так, чтобы сымитировать их положение в живом органе. Специальные системы поддерживают циркуляцию жидкости, заменяющей кровь, и создают в ней нужные концентрации питательных веществ, гормонов и т.д. При необходимости клетки подвергаются механическим деформациям, чтобы смоделировать биение сердца или движение легких при дыхании. Есть возможность воссоздавать электрические сигналы, которые нейроны или мышечные клетки в норме получают от своего окружения. Главная особенность органов на чипе — полный контроль исследователя над происходящими процессами, вплоть до состояния каждой клетки.
Подчеркнем, что название «орган на чипе» — условность. Речь не идет о создании точной и полноразмерной копии органа. Скорее можно говорить о наборе из сравнительно небольшого числа клеток, живущих и функционирующих в условиях, весьма реалистично воспроизводящих условия внутри настоящего органа.
Разумеется, создание подобных систем требует самых передовых технологий. В органах на чипе используются жидкости в объеме от микро- до фемтолитров, то есть от миллионных до квадриллионных долей литра. Такие микроскопические порции жидкости проявляют особые свойства, которыми занимается молодая и бурно развивающаяся наука микрофлюидика, она же микрогидродинамика. Быстрое и сравнительное дешевое создание органов на чипе было бы невозможно без 3D-печати, в том числе и живыми клетками. Этот список можно продолжать.
Первым в ряду органов на чипе стало легкое, презентованное в 2010 году. С тех пор список пополнили почки, сердце, печень, желудок, кишечник, кровеносные сосуды, лимфатические узлы, кожа, кости, нервы, органы размножения и даже мозг, и это неполный список.
Легкие на чипе помогли сымитировать течение рака, астмы и COVID-19, печень — гепатита и фиброзов, сердце — инфаркта миокарда и аритмии, кишечник — различных инфекций, воспалений и колоректального рака, мозг — болезни Альцгеймера, сосуды мозга — инсульта.
Но и это еще не все. Лекарство недостаточно протестировать на одном органе. Действующее вещество разносится по всему телу и влияет на разные органы и системы. Кроме того, препарат метаболизируется (перерабатывается) в организме, как правило, в печени. Получившиеся продукты обладают собственным действием, например могут быть токсичны. Достаточно вспомнить, что знакомые многим неприятные симптомы похмелья вызываются вовсе не алкоголем, а именно продуктами его метаболизма. Поэтому для испытания, скажем, лекарства от гастрита недостаточно желудка на чипе. Нужна как минимум печень, чтобы метаболизировать препарат, и сердце, чтобы проверить, не обладает ли действующее вещество или его метаболиты кардиотоксичностью. Некоторые современные системы содержат до десяти органов на чипе.
Самонаводящееся оружие
Есть еще одно важное применение органов на чипе. Чтобы проиллюстрировать его, обратимся к недавнему исследованию, опубликованному в журнале Lab on a Chip. Авторы использовали легкое на чипе для тестирования потенциального лекарства от вируса гриппа А.
Грипп — не самое тяжелое, зато очень распространенное заболевание. Ежегодно от осложнений сезонного гриппа умирают от 290 000 до 650 000 человек. Разработку лекарств и вакцин осложняет тот факт, что вирусы гриппа чрезвычайно легко мутируют, уходя из-под удара препаратов.
Однако в любом геноме есть жизненно важные гены, практически любое изменение которых смертельно для обладателя генома. Генетики называют такие гены консервативными. Не является исключением и вирус гриппа. Именно консервативные гены — самая перспективная мишень для противовирусных лекарств.
Авторы использовали перспективный подход к лечению. Они намеревались доставить в клетки молекулы РНК, способные распознать вирусные гены и избирательно их заблокировать. Подобные «поисковые РНК» хорошо известны биологам, это составная часть популярных систем редактирования генов.
Проблема в том, что такое лечение трудно протестировать на животных. Чтобы «самонаводящаяся РНК» эффективно атаковала вирус, она должна быть очень точно подобрана под его гены. Становятся важными даже небольшие различия между штаммами, поражающими человека и лабораторных животных.
Поэтому авторы применили легкое на чипе, собранное из клеток человеческих альвеол (легочных пузырьков) и кровеносных сосудов. РНК-препарат, атаковавший консервативные гены вируса гриппа А, значительно затруднил его размножение. В результате замедлилась гибель клеток и уменьшилось воспаление искусственной ткани. Это многообещающий результат, хотя для перехода к клиническим испытаниям нужны дополнительные исследования.
Игра в конструктор
Разработка лекарств и моделирование болезней — не единственное применение органов на чипе. Еще одна возможность — персонализированная медицина. У каждого из нас есть индивидуальные особенности организма, как врожденные, так и приобретенные. Поэтому разным людям подходят разные препараты и схемы лечения. Сейчас оптимальный вариант выбирается путем эксперимента на пациенте: если не подошла самая популярная схема, попробуем другую. Когда «организмы на чипе» станут достаточно дешевыми, можно будет выполнить проверку загодя, использовав образцы клеток пациента.
Наконец, у новой технологии огромный потенциал для исследования человека или любого другого живого существа. Инженерам известна простая истина: хочешь понять — собери. Создание в лаборатории полноценного сердца или почек — дело будущего. Но органы на чипе представляют собой достаточно богатую модель, чтобы эксперименты над ней могли рассказать о нашем теле что-то новое. Добытые знания можно, в свою очередь, использовать в медицине.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора