Когда в России появится организм-на-чипе
Организм-на-чипе — одна из самых передовых концепций в биотехнологии, в перспективе позволяющая перейти к персонализированной медицине. Исследования в этой области активно ведут в России. Корреспондент РИА Новости поговорил с инженерами из МГТУ имени Баумана, работающими над созданием мозга-на-чипе.
Анатомический театр XXI века
Испытания лекарств — сложный и дорогостоящий процесс. Например, в 2019-м фармацевтические компании США потратили на это более 83 миллиардов долларов. Причем по статистике лишь 14 процентов протестированных препаратов получают одобрение американского Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).
Перспективные препараты тестируют сначала на культурах клеток, затем — на животных. По некоторым оценкам, их требуется для этого почти 200 миллионов в год. Потом — несколько этапов клинических испытаний. И все равно то или иное лекарство может не подойти конкретному пациенту.
Все идет к персонализированной медицине. Тестировать препараты ученые предлагают на моделях организма человека. Берут клетки пациента, создают прообраз его мозга, сердца, печени в миниатюре и проверяют, годится ли ему лекарство. Звучит фантастически, однако такая технология уже существует. Это называется «орган-на-чипе» или «организм-на-чипе».
В ячейки на чипе размером со смартфон поселяют живые клетки. Микроканалы позволяют смоделировать кровоток или обмен тканевыми жидкостями — например, лимфой. Все это помещают в специальную камеру, в которой поддерживают определенную температуру и газовый состав, прокачивают через чип питательные растворы, удаляют продукты метаболизма из ячеек.
Идея принадлежит Дональду Ингберу, основателю и директору Института биологической инженерии имени Уисса при Гарвардском университете. В 2010-м он с коллегами создал первое устройство такого рода — легкое-на-чипе. Его пронизывали двухуровневые каналы, разделенные пористой мембраной. Один отдел содержал слой клеток легкого и был заполнен воздухом, другой — слой клеток кровеносного сосуда, где циркулировала кровь. По микроканалам можно было подводить вредоносные бактерии или молекулы лекарства и отслеживать, что происходит.
Уже есть чипы, имитирующие работу почки, печени, кишечника, сердца. На очереди — мозг. Его защищает гематоэнцефалический барьер, сквозь который не проникают многие лекарства. Новая технология поможет определить, насколько эффективен в такой ситуации тот или иной препарат.
В перспективе ученые хотят создать целый организм-на-чипе, воспроизводящий систему всех жизненно важных органов. К примеру, в американском агентстве DARPA уже собрали на одном устройстве десять микрофизиологических моделей.
Российская лаборатория-на-чипе
В России прорывную технологию успешно развивают в научно-образовательном центре «Функциональные микро/наносистемы» (НОЦ ФМН) МГТУ имени Н. Э. Баумана. За пять лет появилось несколько ноу-хау, позволивших делать чипы из кремния, полимера и стекла, а также изготавливать микрофлюидные сенсоры потока жидкости.
«Представьте себе миниатюрный нагреватель, который рассеивает очень мало (меньше 100 милливатт) тепла. Вы подаете жидкость в микроканал. Естественно, жидкость уносит тепло. Рядом с таким нагревателем прямо в микроканале с двух сторон устанавливают сенсоры температуры. Теперь мы знаем, в каком направлении движется тепло и с какой скоростью. Сейчас точность — не хуже 92 процентов, результат на мировом уровне. А учитывая, что все технологии заимствованы из микроэлектроники, устройство легко масштабируется для многоканальных лабораторий-на-чипе и организмов-на-чипе», — рассказывает директор НОЦ Илья Родионов.
Инженеры разработали чипы со сложными схемами микроканалов и целую серию различных биосенсоров, в основном оптических, анализирующих излучение, чтобы определять даже очень малые концентрации различных биологических объектов. Следующий шаг — чип из стойких к агрессивным средам материалов для работы с бактериями и вирусами. Эффективность нового метода, не имеющего сегодня микрофлюидных аналогов в мире, превышает 80 процентов.
Мозг-на-чипе
Российские ученые взялись и за создание мозга-на-чипе. Тут не обойтись без междисциплинарного взаимодействия, реализуемого сегодня в рамках федеральной программы «Приоритет-2030» и стратегического проекта Bauman DeepTech. Сотрудники научно-образовательного центра уже наладили контакт с факультетом «Биомедицинская техника» МГТУ, а также Научным центром неврологии.
«Биологи умеют растить клеточные культуры, а мы — делать чипы. Мы очень удачно дополняем друг друга», — уверен Виталий Рыжков, ведущий исследователь НОЦ по направлению «Бионанотехнологии и микрофлюидика».
Вначале нужно заселить на чип клетки мозга и организовать их взаимодействие.
«Нужно пять-семь биореакторов, где выращивают клетки, характерные для того или иного отдела человеческого мозга. Дальше необходимо создать микрофлюидную систему с мембранной структурой, чтобы подвести питающие вещества, как это у нас происходит в голове через кровь. Мы свяжем эти биореакторы очень тонкими каналами, имитирующими капиллярную систему. Это откроет дорогу пионерским исследованиям», — отмечает Илья Родионов.
Даже если смоделировать работу одной структуры человеческого мозга, например гематоэнцефалического барьера, уже можно изучить процессы обмена веществ в этой структуре, как она участвует в метаболизме и видоизменении.
«На станциях водоочистки для оценки качества воды используют раков, которые, как известно, предпочитают водоемы с очень чистой водой. Если они не приживаются, значит, надо принимать меры. В лаборатории-на-чипе тот же принцип, только вместо раков — живые клетки человека», — объясняет Виталий Рыжков.
Клетки мозга можно получить с помощью биопсии или аутопсии, а также вырастить из стволовых клеток. Однако предстоит решить ряд проблем.
«Например, мы вырастили шарики размером 20 на 20 микрон из клеток мозга, так называемые органоиды. Они живут, пока омываются раствором, который подводит питательные вещества и удаляет продукты метаболизма. Но когда органоиды увеличиваются до 50 на 50 микрон, клетки глубоко внутри не получают питание и отравляют окружающие клетки токсинами», — уточняет исследователь.
В НОЦ ФМН разработали технологии изготовления жестких и эластичных микрофлюидных чипов, готовых для заселения живыми клетками. Ближайшие два-три года уйдут на моделирование либо гематоэнцефалического, либо гематоликворного барьера, который гораздо менее изучен (он отделяет спинномозговую жидкость от крови).
Сейчас сложно оценить, насколько эффективен будет поиск лекарств с помощью организма-на-чипе, потому что таких систем пока не существует. Однако через десять лет они появятся.
Алексей Огнев, РИА Новости
Портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru
