Микробиологи обсудили возможности создания человеческого организма на чипе

"Органы на чипах", такие как эта модель лёгкого могут быть использованы для тестирования токсичных соединений и опасных патогенов
(фото Wyss Institute/Harvard).

Для того чтобы эффективно защищать людей от опасных болезней, а также для разработки контрмер против биологического, химического и радиоактивного оружия необходимы клинические испытания на человеческом организме. Но в большинстве случаев такие исследования невозможны по этическим соображениям.

В 2007 году группа исследователей из Технического университета Берлина (Technische Universität Berlin), работающая под руководством Уве Маркса (Uwe Marx), предложила идею создания так называемых микробиореакторов. Это небольшие устройства — чипы — в которых функционируют миниатюрные клеточные модели различных органов и тканей, связанные между собой сетью микроканалов, имитирующих кровеносные сосуды.

Вслед за немецкими коллегами эту идею стали довольно успешно развивать учёные из России (Научно-технический центр "БиоКлиникум"), Японии и некоторых других стран. Но особенно масштабное государственное и частное финансирование получают подобные разработки в США.

Например, при поддержке Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) команда исследователей из Института Висса Гарвардского университета работает с моделью "костного мозга на чипе" для изучения последствий радиоактивного излучения, а также испытаний экспериментальных лекарственных препаратов.

"Это неэтично — подвергать людей воздействию облучения для имитации последствий событий "Фукусимы", но мы должны быть готовы", — обосновывает актуальность микробиореакторов руководитель проекта Дональд Ингбер (Donald Ingber), который стоял у истоков развития технологии в США.

На последней конференции Американского микробиологического общества, посвящённой биозащите и новым заболеваниям, широко обсуждались достижения и перспективы миниатюрных моделей отдельных органов и их комбинаций на чипе. (Ранее авторы "Вести.Наука" рассказывали о подобных технологиях подробно).

Специалисты пришли к общему мнению, что эта технология в будущем, возможно, позволит имитировать физиологию человека лучше, чем традиционные лабораторные испытания на клеточных культурах или даже на модельных животных. Но пока о полной замене животных на биочипы речи не идёт. Для этого необходимы технологии создания очень широкого спектра клеточных моделей и их объединения в целый организм.

В настоящее время учёные сосредоточены на решении с помощью микробиореакторов конкретных узкоспециализированных задач, например, в области исследования опасных патогенов. Существует ряд вирусов, о механизмах действия которых практически ничего не известно. Проблема их изучение обусловлена особой опасностью таких вирусов для человека.

В нынешней ситуации крайне сложно разрабатывать новые действенные лекарственные препараты против патогенов такого рода, и уж тем более проводить их испытания. А заражение модели органов может позволить наблюдать за экспрессией генов и изменением в метаболизме в реальном времени.

Так, на прошедшей конференции была представлена работа микробиологов из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории по изучению процесса заражения клеток сибирской язвой. В качестве модели выступали клетки лёгкого кролика, размещённые, как и природный аналог, на границе раздела фаз между воздухом и биологической жидкостью. В этом исследовании было заинтересовано Министерство внутренней безопасности США. Перед учёными в частности была поставлена задача определения минимального количества спор сибирской язвы, необходимого для вызова заболевания у человека.

Агентство по охране окружающей среды США планирует объявить в следующем месяце программу с бюджетом $18 миллионов, целью которой станет объединение в одной системе "печени на чипе" с моделями плодных оболочек, молочных желёз и развивающихся конечностей. Основной целью этого проекта станет изучение влияния загрязнителей окружающей среды, таких как диоксин и бисфенол А, на метаболизм в этих органах.

Если вспомнить об оружии массового уничтожения, то клеточные модели успешно проявили себя в исследованиях команды учёных из Университета Вандербильда (Теннесси). Физиолог Джон Уиксво (John Wikswo) и его коллеги смогли по особенностям метаболизма в клеточной модели различить такие яды, как рицин и ботулотоксин.

В сентябре 2011 года Барак Обама объявил о запуске программы по разработке новых технологий для тестирования лекарственных средств, которые будут быстрее и эффективнее существующих методов. Для решения этой задачи в декабре 2011-го был создан новый научно-исследовательский институт — National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS). В частности, среди приоритетных задач института стоит разработка проекта "человек-на-чипе" и трудятся над разными его вариантами 11 групп учёных.

Доктор Уиксво шутливо называет такую систему Homo chippiens. Выражая общее мнение, учёный отмечает, что при всём размахе исследований в США, моделирование человеческого тела на чипе будет провести нелегко. Среди массы других задач специалистам предстоит решить проблему полноценной имитации крови, которая должна достигать многочисленные модели органов в правильном порядке, в нужном количестве и нести необходимые питательные вещества для каждой из них. 

Сегодня