Новости и мнения

Органы на чипсах

Ученые надеются, что эти устройства однажды заменят животные модели заболеваний и помогут продвинуть персонализированную медицину.

От сердцебиения до легкого дыхания органы-на-щепке являются одними из самых горячих новых инструментов для исследования биологии человека. Хотя эти устройства могут иметь большее сходство с компьютерными компонентами, чем с частями человеческого тела, ученые в настоящее время создали рабочие модели для целого ряда органов, включая печень, легкие и даже женскую репродуктивную систему.

Исследователи надеются использовать эти устройства для моделирования заболеваний и облегчения разработки лекарств. «Я думаю, что для большинства людей цель состоит в том, чтобы заменить тестирование на животных и проводить персонализированную медицину более эффективным способом», – говорит The Scientist Дональд Ингбер , директор-основатель Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете .

Маленькие легкие

В Институте Wyss ученые разработали около 15 различных человеческих органов на чипах. Первым из них было устройство « легкое на чипе» , прозрачное устройство размером с большой палец с двумя каналами: верхний канал, заполненный воздухом, выстланный человеческими альвеолярными эпителиальными клетками, и нижний канал, выстланный клетками кровеносных сосудов и раствор, содержащий лейкоциты, протекающий через.

Чтобы более точно моделировать биологию человека, исследователи также имитировали дыхательные движения, применяя вакуум для деформации полых трубок, выстилающих основные каналы.

«Новинка, которую мы включили [в наши чипы], была основана на моей работе, которая показала, что механические силы так же важны, как химические вещества и гены для развития, поддержания и функционирования тканей», – говорит Ингбер. «Этот чип легкого альвеолы ​​предоставил доказательство принципа для моделирования нормальной физиологии и болезни на уровне органа, открытия нового понимания важности физических сил, поиска новых терапевтических целей и даже нового препарата».

Ингбер и его коллеги также включили механические силы в чипы других органов – например, перистальтические движения в чипе кишки и пульсацию кровеносных сосудов в чипе почки.

Одно из последних изобретений института – это дыхательные пути на чипе, которые похожи на исходный чип легкого, за исключением того, что вместо альвеолярных клеток устройство выстлана эпителиальными клетками бронхов человека. Команда использовала этот чип для моделирования хронической обструктивной болезни легких и астмы. Они даже использовали это устройство для изучения влияния курения на бронхиальный эпителий, подключив его к машине, которая сжигает сигареты, вдыхает и выдыхает дым, чтобы имитировать курильщика-человека.

Строительство барьеров

Группа под руководством Джона Виксво , биомедицинского инженера из Университета Вандербильта, создала чип для изучения мозга и гематоэнцефалического барьера.

«Мы решили сосредоточиться на нервно-сосудистых единицах человека (NVU) из-за важности взаимодействия между кортикальными нейронами и гематоэнцефалическим барьером (BBB), который защищает их, отсюда и термин« сосудисто-нервная единица », – пишет Виксво в своем электронном письме . Ученый

Чип NVU состоит из крошечной полости, разделенной пористой мембраной, отделяющей одну камеру, которая представляет мозг, от другой камеры, которая представляет окружающую сосудистую сеть. Он содержит кортикальные нейроны, микрососудистые эндотелиальные клетки, астроциты и перициты человека. По словам Виксво, эта структура «позволяет нам изучать метаболический ответ нейронов и других клеток на лекарства и воспалительные сигналы, которые доставляются через ГЭБ».

Команда использовала этот чип NVU в различных приложениях, таких как исследование болезненных состояний и для изучения последствий воспаления . В настоящее время они также начинают программу по использованию этой технологии для тестирования лекарств для фармацевтической промышленности.

Бьющиеся сердца

Меган Маккейн , профессор биомедицинской инженерии в Университете Южной Калифорнии, работает с сердцами на чипах: небольшими приборами размера ластика, в которых живут живые, бьющиеся сердечные клетки. Чтобы создать эти устройства, исследователи сначала берут клетки кожи у пациентов и перепрограммируют их в стволовые клетки, которые впоследствии развиваются в сердечные миоциты. Затем они помещают эти клетки на чипы, содержащие биоинженерные поверхности, которые воссоздают естественную среду сердца. «Ключевой показатель, который нас интересует, – это генерация силы», – говорит Маккейн.

В 2014 году Маккейн, который тогда работал в Институте Висса, использовал сердечные чипы для моделирования синдрома Барта , редкого наследственного заболевания, связанного с ослаблением сердечной мышцы. В настоящее время ее команда сосредоточена на использовании этих устройств для изучения других заболеваний. «Я думаю, что моделирование заболеваний – это то, где оно будет иметь наибольшее влияние, особенно наследственное заболевание», – говорит Маккейн . «Даже если мы сделаем нокаутированную мышь, нам, кажется, не удастся охватить все аспекты заболевания у людей».

Эмулируя глаза  

Дэн Ху , профессор биоинженерии в Университете Пенсильвании, который был постдоком в лаборатории Ингбера, и его коллеги создали метод «глаз на чипе» с мигающим веком.

Эта микросхема, которая приблизительно равна размеру и форме контактной линзы, приблизительно соответствует поверхности глаза. Он содержит клетки человека из роговицы и конъюнктивы (слой слизистой оболочки, который покрывает глаз). Команда также разработала веко, которое прикрепляется к поверхности и позволяет глазу мигать, сохраняя поверхность чипа смазанной.

«Мы обнаружили, что мигающие движения очень важны для поддержания ткани глазной поверхности», – говорит Ха. «И мы используем эту платформу для имитации определенных хронических заболеваний глаз, таких как сухость глаз». Согласно Ху, его лаборатория также планирует использовать этот чип для моделирования других состояний глаз, для тестирования и разработки лекарств, а также для тестирования и оптимизировать контактные линзы. Команда также в настоящее время разрабатывает сетчатку на чипе.

«Глаз – одна из главных областей моей лаборатории», – говорит Ха. Его группа также работает над чипами для множества других органов, включая легкие и плаценту.

Подражая менструации

Многие группы стремятся связать различные органы органов вместе, чтобы воссоздать системы органов или даже весь организм человека. Тереза ​​Вудрафф , профессор акушерства и гинекологии в Северо-Западном университете, и коллеги соединили пять миниатюрных органов в чип размером с руку, чтобы смоделировать женский репродуктивный тракт.

Чип, названный EVATAR, представляет собой серию трубок и насосов, которые несут синюю кровь, похожую на кровь, через клетки, содержащие пять мини-органов – фаллопиеву трубу, матку, влагалище, яичник и печень. «То, что [эта] система позволяет нам делать, – это перемещать среду таким образом, чтобы она вносила свежие питательные вещества и устраняла отходы», – говорит Вудрафф. «Это то, что происходит в организме». Добавив гормоны в циркулирующую жидкость, команда смогла имитировать 28-дневный менструальный цикл.

Исследователи надеются использовать EVATAR для выяснения репродуктивной физиологии и заболеваний, а также для тестирования и разработки лекарств. Они также работают над мужской версией чипа, ADATAR.

Взаимосвязанное

Линда Гриффит , профессор биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте, и ее коллеги являются одной из двух групп, работающих над проектами, финансируемыми Агентством перспективных исследований в области обороны (DARPA) правительства США, для создания «тел на чипах», которые призваны объединить десять различных мини системы органов в интегральной схеме. Другая группа находится в Институте Висс.

По словам Гриффит, ее команда недавно «завершила нашу большую веху в DARPA, которая [соединяет] 10 микрофинансовых систем органов в течение месяца».

Соединение чипов нескольких органов позволяет исследователям исследовать взаимодействия органов. В одном из своих последних экспериментов Гриффит и ее команда исследовали последствия воспаления в системе, в которой были связаны чипы кишечника и печени человека. Это исследование показало, среди прочего, как перекрестные разговоры между двумя органами влияют на экспрессию генов и тканеспецифические функции.

«Я думаю, что сейчас область находится на ранней стадии мышления о сложной физиологии, которая включает в себя множество взаимодействующих типов клеток внутри органа и между органами, особенно когда речь идет о иммунной системе, взаимодействующей с клетками ткани», – говорит Гриффит. «Огромная часть нашей программы сосредоточена на иммунологии».

Мозговые чипсы в космосе  

Начинающая компания Emulate была создана для коммерциализации технологии орган-на-чипе, разработанной в Институте Wyss, в том числе Lung-Chips, Liver-Chips и Intestine-Chips. Хотя эти чипы обладают различными типами и функциями ячеек, их стандартизированный дизайн делает их внешне идентичными. Недавно компания объявила о своих планах отправить свои мозговые чипы на Международную космическую станцию, где они будут использоваться для изучения, среди прочего, гематоэнцефалического барьера и того, как стрессоры и воспаление влияют на работу мозга.

Brain-Chip компании содержит как нейроны, так и сосудистые эндотелиальные клетки и предназначен для моделирования как физиологии мозга, так и гематоэнцефалического барьера. «Мы не пытаемся воссоздать весь мозг, а просто наименьшую функциональную единицу органа», – говорит Джеральдин Гамильтон , президент и главный научный сотрудник Emulate. «В этом случае, например, [мы] берем гематоэнцефалический барьер, который состоит из микрососудистых эндотелиальных клеток, нейронов, астроцитов и перицитов – все они взаимодействуют очень специфическим образом и должны быть организованы очень специфично Кстати, это то, что мы в очень маленьком масштабе воссоздаем в чипах ».

Обсуждение

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *