Что такое «организм-на-чипе»
Испытания лекарственных препаратов — сложный и дорогостоящий процесс. К примеру, в 2019 году американские фармацевтические компании потратили на это свыше 83-х миллиардов долларов. Причем по статистике только 14% протестированных лекарств получают одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA).
Перспективные препараты сначала тестируют на культурах клеток, после — на животных. По оценкам некоторых специалистов, их требуется для этого порядка 200 миллионов в год. После — несколько этапов клинических испытаний. И в результате какое-то лекарство все равно может не подойти конкретному пациенту.
Современный мир движется к персонализированной медицине. Тестировать лекарственные препараты ученые предлагают на моделях организма человека. Специалисты берут человеческие клетки, создают прообраз мозга, сердца и печени в миниатюре, а после этого проверяют, подходит ли ему лекарство определенному пациенту. Звучит как что-то из разряда фантастики, но такая технология уже существует. Ее называют «орган-на-чипе» или «организм-на-чипе».
В ячейки на чипе, которые по размеру не больше смартфона, поселяют живые клетки. Микроканалы позволяют смоделировать кровоток или обмен тканевыми жидкостями, к примеру, лимфой. Все это ученые помещают в специальную камеру, в которой установлена определенная температура и газовый состав, а затем начинают прокачивать через чип питательные растворы и удалять продукты метаболизма из ячеек.
Такая идея пришла в голову основателю и директору Института биологической инженерии им. Уисса при Гарвардском университете Дональду Ингберу. В 2010 году он совместно со своими коллегами создал первое устройство такого рода — легкое-на-чипе, которое пронизывали двухуровневые каналы, разделенные пористой мембраной. В одном был слой клеток легкого, заполненный воздухом, в другом — слой клеток кровеносного сосуда, в котором циркулировала кровь. По микроканалам можно было подводить вредоносные бактерии, а также молекулы лекарственных препаратов и отслеживать, что происходит.
Наука и медицина не стоят на месте: уже создали чипы, имитирующие работу почки, печени, кишечника и даже сердца. Теперь на очереди — мозг. Его защищает гематоэнцефалический барьер, через который не попадают многие препараты. Новая технология поможет определить, насколько эффективен в этой ситуации то или иное лекарство.
В будущем ученые хотят создать целый организм-на-чипе, который сможет воспроизводить систему всех жизненно важных органов человека. Например, в американском агентстве DARPA уже собрали на одном устройстве 10 микрофизиологических моделей.
Лаборатория-на-чипе в России
В нашей стране прорывную технологию развивают в научно-образовательном центре «Функциональные микро/наносистемы» (НОЦ ФМН) МГТУ им. Н. Э. Баумана. За 5 лет создали ряд ноу-хау, которые позволяют делать чипы из кремния, полимера и стекла. К тому же ученые научились изготавливать микрофлюидные сенсоры потока жидкости.
Директор НОЦ Илья Родионов отметил, что все технологии заимствованы из микроэлектроники, следовательно, устройство можно без труда масштабировать для многоканальных лабораторий-на-чипе и организмов-на-чипе.
Российские инженеры разработали чипы со сложными схемами микроканалов и серию различных биосенсоров. В основном они оптические, которые анализируют излучение, чтобы определять даже самые малые концентрации биологических объектов. Следующий шаг, который хотят предпринять ученые, заключается в создании чипа из стойких к агрессивным средам материалов, его можно будет использовать для работы с бактериями и вирусами. Эффективность этого метода, не имеющего на данный микрофлюидных аналогов в мире, превышает 80%.
Мозг-на-чипе
Российские инженеры также пытаются создать мозг-на-чипе. Здесь не обойтись без междисциплинарного взаимодействия, реализуемого в рамках федеральной программы «Приоритет-2030» и стратегического проекта Bauman DeepTech. Специалисты научно-образовательного центра уже наладили контакт с факультетом «Биомедицинская техника» МГТУ и Научным центром неврологии.
Ведущий исследователь НОЦ по направлению «Бионанотехнологии и микрофлюидика» Виталий Рыжков отметил, что биологи умеют выращивать клеточные культуры, а инженеры — делать чипы. Получается удачное дополнение друг друга.
Вначале необходимо заселить на чип клетки мозга и наладить их взаимодействие. Даже если смоделировать работу одной структуры человеческого мозга, к примеру, гематоэнцефалического барьера, уже можно будет изучить процессы обмена веществ в данной структуре, пояснил Илья Родионов.
Он добавил, что клетки мозга можно получить посредством биопсии или аутопсии, а также вырастить из стволовых клеток. Но тут ученым еще нужно будет решить несколько проблем. Например, получилось вырастить шарики размером 20 на 20 микрон из клеток мозга, которые называют органоиды. Они живут, пока омываются специальным раствором. Но когда органоиды увеличиваются до размеров 50 на 50 микрон, клетки глубоко внутри не могут получат питание и отравляют окружающие клетки токсинами.
Специалисты НОЦ ФМН разработали технологии изготовления жестких и эластичных микрофлюидных чипов, которые можно заселять живыми клетками. Ближайшие несколько лет ученые потратят на моделирование или гематоэнцефалического, или гематоликворного барьера, который еще не так хорошо изучен.
На данный момент тяжело оценить, насколько эффективен будет поиск лекарственных препаратов с помощью организма-на-чипе, так как подобных систем пока что не существует. Однако через 10 лет они появятся.
Ранее специалисты Института Макса Планка в Дюссельдорфе совместно с инженерами Института лазерных технологий Фраунгофера в Аахене совместили древние способы и современные технологии в новом методе печати дамасской стали на 3D-принтере.
