Легкое-на-чипе v.2.0
Группа исследователей из Университетской клиники Берна и Центра биомедицинских исследований ARTORG Бернского университета разработала усовершенствованную модель легкого на чипе, состоящую из альвеол в натуральную величину, расположенных на растягивающейся мембране из полностью биологического материала. Новая модель воспроизводит ключевые аспекты архитектуры легочной ткани, отсутствовавшие в предыдущих версиях. Благодаря ей станут возможными новые фундаментальные исследования для понимания различных патологий легких, скрининга лекарств и прецизионной медицины.
Легкое – парный орган, основной функцией которого является газообмен. Из-за сложной структуры, неоднородного клеточного состава и меняющегося микроокружения его трудно моделировать in vitro.
Специализированная лаборатория Центра исследований биомедицинской инженерии ARTORG при Бернском университете, возглавляемая Оливье Гена, уже более 10 лет создает модели in vitro, называемые «органы на кристалле», с упором на моделирование легких и их заболеваний. После первой успешной системы легкое-на-чипе, демонстрирующей основные характеристики легких, лаборатория Organs-on-Chip (OOC) Technologies в сотрудничестве с Центром имени Гельмгольца по исследованию инфекционных заболеваний и отделением торакальной хирургии и пневмологии Университетской клиники разработала модель легкого-на-чипе нового поколения.
Полностью биоразлагаемый гемато-воздушный барьер в натуральную величину
Новое легкое-на-чипе содержит массив альвеол с размерами, подобными альвеолам in vivo. Они лежат на тонкой растягивающейся мембране, состоящей из коллагена и эластина, которые содержатся и в человеческих легких. Мембрана стабильна, ее можно культивировать с обеих сторон в течение нескольких недель, она биоразлагаема, а эластичные свойства позволяют имитировать дыхательные движения с механическим растяжением клеток.
В отличие от модели первого поколения, которая также была создана группой Оливье Гена, усовершенствованная система воспроизводит ключевые аспекты внеклеточного матрикса легких: состав (базальная мембрана состоит из белков внеклеточного матрикса), структуру (массив альвеол с размером, аналогичным таковому in vivo, а также структура волокон) и свойствам (биоразлагаемость – важный аспект моделирования гемато-воздушного барьера при заболеваниях легких, таких как идиопатический легочный фиброз или хроническая обструктивная болезнь легких). Кроме того, процесс изготовления новой модели не такой сложный и громоздкий, как у легкого на кристалле первого поколения.
Иммуноокрашивание культур клеток пациентов на легком-на-чипе второго поколения. © Pauline Zamprogno, ARTORG Center for Biological Engineering Research.
Широкий потенциал клинического применения
Клетки, которые будут культивироваться на новом чипе для исследований, в настоящее время получают от больных раком, перенесших резекцию легкого в отделении торакальной хирургии Университетской клиники Берна. Модель легкого на чипе может быть засеяна здоровыми и/или больными альвеолярными клетками легких. Это даст врачам как лучшее понимание физиологии легких, так и инструмент прогнозирования для скрининга лекарств и, возможно, для прецизионной медицины.
Потенциал применения новой модели широк: от фундаментальных научных исследований функций и патологий легких до выявления новых путей и более эффективного открытия потенциальных новых методов лечения.
Мощная альтернатива животным моделям
Дополнительным плюсом является то, что новое легкое-на-чипе может снизить потребность в пневмологических исследованиях на животных моделях. Многие разрабатываемые лекарства, успешно протестированные в доклинических моделях на грызунах, оказались неэффективными при тестировании на людях из-за различий между видами и особенностей проявления болезни легких. Поэтому в долгосрочной перспективе это приведет к сокращению количества экспериментов на животных и предоставит более подходящие для пациентов системы для скрининга лекарств с возможностью адаптации моделей к конкретным пациентам путем засеивания органов на чипе их собственными клетками.
Новое биологическое легкое-на-чипе будет доработано исследователями из группы OOC Technologies, чтобы смоделировать идиопатический фиброз легких – хроническое заболевание, приводящее к прогрессирующему рубцеванию легочной ткани.
Статья P.Zamprogno et al. Second-generation lung-on-a-chip with an array of stretchable alveoli made with a biological membrane опубликована в журнале Communications Biology.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам University of Bern: Bernese researchers create sophisticated lung-on-chip.