Организм-на-чипе заменит животные модели
Для медицинских исследований эксперименты на животных всегда были неизбежным злом. Однако исследователям института Фраунгофера в Дрездене удалось разработать многообещающую альтернативу – «мини-организм» внутри чипа. Его использование позволит реалистично воспроизводить сложные метаболические процессы, протекающие в организме человека.
С помощью миниатюрного мультиорганного чипа
(вместо масштабной линейки на него положили монету достоинством 1 евро),
имеющего три отдельных микроцепи, исследователи могут изучать
регенерацию определенного типа клеток почек и многое другое.
Исследователи всего мира занимаются поисками альтернатив животным моделям, однако эта задача исключительно сложна. Для понимания влияния, оказываемого на организм тем или иным соединением, недостаточно протестировать его на изолированных образцах тканей или клеток. Большинство лекарственных препаратов оказывают на организм системное действие, то есть воздействуют на все системы и органы. В результате токсичные вещества, нередко появляющиеся в процессе метаболических процессов, могут повреждать органы, отличные от органов-мишеней.
Совместно с коллегами из Технического университета Берлина исследователи института Фраунгхофера разработали новый подход, который может избавить сферу биомедицинских исследований от необходимости проведения экспериментов на животных. Разработанный ими мультиорганный чип с удивительной точностью воспроизводит сложные метаболические процессы человеческого организма в масштабе 1:100 000.
В разные отсеки чипа можно вносить человеческие клетки разных типов. Эти «мини-органы» соединяются друг с другом с помощью тончайших каналов, через которые с помощью выступающего в роли сердца крошечного насоса постоянно перекачивается питательная среда. Конфигурацию чипа, то есть количество мини-органов и соединяющих их каналов, можно модифицировать в зависимости от стоящих перед исследователями задач и цели проводимого исследования. Такой чип позволяет не только проводить тестирование активных ингредиентов новых лекарственных препаратов, но и изучать воздействие косметических средств на кожу.
Концепция комбинирования образцов клеток различных типов и микрожидкостных каналов давно прорабатывается учеными. Однако новая система имеет два отличительных преимущества перед традиционными подходами.
Во-первых, она исключительно миниатюризирована. Используемый в ней микронасос способен обеспечивать очень малую скорость потока жидкости в микроканалах, не превышающую 0,5 микролитров в секунду. Разработчики утверждают, что этот показатель соответствует происходящему в организме.
Во-вторых, микрожидкостная система обеспечивает непрерывный поток жидкой среды, которая, подобно крови в живом организме, омывает весь встроенный в чип комплекс «мини-органов». Этот фактор исключительно важен, так как определенные типы клеток приобретают характерную для них морфологию только при стимуляции потоком жидкости.
Для изучения влияния химического соединения на организм исследователи помещают в чип клетки различных типов. После этого в популяцию клеток, соответствующую органу, через кровоток которого соединение попадает в организм в реальности, вводится содержащая его питательная среда. В дальнейшем чип воспроизводит метаболические реакции организма на анализируемое вещество. В таких экспериментах можно использовать клетки людей разных полов и этнической принадлежности. Также в масштабе 1:100 000 можно задать вариации размера и массы тела. Чип позволяет наблюдать за тем, какие метаболические продукты формируются в определенных популяциях клеток и какое влияние они оказывают на клетки других органов. Получаемые при этом результате даже более предсказуемы, чем результаты экспериментов на животных.
По словам одного из разработчиков, доктора Франка Зоннтага (Frank Sonntag), помимо изучения влияния на организм активных ингредиентов новый чип может иметь еще одно применение. На сегодняшний день известно, что эндотелиальным клеткам принадлежит ключевая роль в развитии почти всех заболеваний почек. При проведении всех существующих лабораторных тестов специалисты неизменно сталкиваются с проблемой, заключающейся в том, что эндотелиальные клетки могут функционировать только в условиях постоянно тока жидкости. Использование нового чипа исключит эту проблему, а также позволит изучать процесс восстановления эндотелиальных клеток почек после повреждений.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Fraunhofer-Gesellschaft:
Mini synthetic organism instead of test animals.
06.02.2015