День, когда большинство новых лекарств будет разрабатываться и тестироваться непосредственно с использованием тканей человека, не за горами.
Джим Гротберг рос, часто используя свои органы дыхания, такие как лёгкие, и позже увлёкся этим вопросом профессионально. В старшей школе он играл на тромбоне, а затем продолжил играть в баскетбол с Cornell Big Red, мужской баскетбольной командой NCAA Division 1 Корнельского университета. Когда он стал врачом-исследователем и мировым экспертом в области биогидродинамики, его увлечение звуками, которые он слышал, изучая состояние грудной клетки очередного пациента с помощью стетоскопа, осталось с ним по жизни.
В конце 1990-х Гротберг изучал сужение дыхательных путей — явление, которое возникает, когда дыхательные пути лёгких забиваются жидкостью. В здоровом лёгком дыхательные пути обычно выстланы тонкой жидкостной плёнкой, которая удерживает ткань во влажном состоянии. При определённых условиях — например, когда вирус вызывает воспаление — ткань реагирует, вырабатывая гораздо больше жидкости, что вызывает сужение дыхательных путей. Когда это происходит, повышается вероятность того, что проход будет заблокирован жидкой пробкой, которая движется вниз по дыхательным путям, пока не разорвётся. С помощью стетоскопа врачи могут услышать разрыв пробок (как треск) и сделать вывод о состоянии лёгких.
Гротберг пытался доказать свою гипотезу о том, что жидкие пробки, вызывающие треск, повреждают клетки, выстилающие дыхательные пути, но это было трудно сделать без создания системы, которая могла бы должным образом наблюдать за дыхательными путями. И тогда ему пришло в голову: может быть, он мог бы использовать клетки лёгких в микрожидкостных каналах для изучения звука.
Большинство людей знают, что такое микроэлектроника: эти маленькие, но мощные компоненты питают телефоны, телевизоры и другие электронные устройства.
Микрофлюидика — родственная технология миниатюризации, но применяемая к жидкостям, а не к электричеству.
Часто скрытая от глаз микрофлюидика лежит в основе множества устройств, которые необходимы для жизни, от экспрессных тестов на беременность до струйных принтеров и глюкометров для мониторинга диабета. В последние годы класс микрожидкостных устройств, называемых органами на чипах, использовался даже для имитации естественной среды органов, открывая двери для экспериментов, которые в противном случае были бы невозможны. Как оказалось, это была именно та технология, которую искал Гротберг.
По счастливой случайности в 1999 году Шуичи Такаяма, талантливый химик, ставший инженером-микрофлюидистом, заканчивавший постдокторантуру в Гарварде, прошёл собеседование на должность преподавателя на кафедре Гротберга в Мичиганском университете. В Гарварде Такаяма показал, что клетки могут оставаться живыми внутри микрожидкостного канала, сделанного из прозрачной, проницаемой для кислорода резины. На своём семинаре Такаяма читал лекцию о эндотелиальных клетках сосудов — клетках, выстилающих сосуды системы кровообращения, — и микрофлюидике. «Мне пришло в голову, что я могу вовлечь его в клетки дыхательных путей и закупорить потоки, используя каналы, выстланные клетками», — вспоминает Гротберг. «Поэтому мы наняли его, и я дал ему в помощники своего ученика Дэна Хью для развития взаимодействия».
Фото: thereader.mitpress.mit.edu
В 2004 году Такаяма и Хью начали размышлять о конструкции микрожидкостного устройства, которое могло бы имитировать биомеханические функции лёгких. Поскольку нельзя просто вставить микроскоп в лёгкое, мало что известно о том, как происходит заражение на клеточном и тканевом уровне, и о влиянии важных физиологических параметров, таких как скорость вдоха. Такаяма и Хью хотели получить представление о том, как дым повреждает лёгкие, как их заражают вирусы и могут ли работать новые вакцины.
Первым шагом было выяснить, смогут ли они культивировать первичные клетки дыхательных путей в микрожидкостном устройстве и поддерживать их жизнь. Клетки дыхательных путей, как следует из названия, представляют собой клетки, контактирующие с воздухом внутри лёгких.
В 2005 году появилась первая конструкция «лёгкие на чипе» во вставках Transwell — простом устройстве, состоящем из пористой мембраны, в которую засеяны клетки. Исследователи ранее показали, что клетки дыхательных путей могут оставаться живыми, выращивая их на пористой мембране вкладышей, подвергающихся воздействию воздуха сверху и питающихся веществами, растворёнными в среде для культивирования клеток, снизу. Чтобы имитировать структуру Transwell, Хью поместил канал PDMS — по сути, прозрачную резиновую форму — сверху, ещё одну снизу и вставил пористую мембрану посередине. «Эта конструкция была ключом к дифференциации клеток в устройстве, потому что нам приходилось культивировать их на воздухе, а кормить снизу», — говорит Хью.
Следующий критический вопрос заключался в том, можно ли создавать пробки таким образом, чтобы они имитировали движение реальных пробок жидкости, и будут ли они имитировать звук «потрескивания». Здесь они тоже добились успеха. Более того, когда пробки разрывались, клетки умирали, «поэтому мы могли утверждать, что треск может быть связан с механическим повреждением лёгких», — добавляет Хью. Их статья была опубликована в 2007 году в PNAS. Это был знаковый момент, первый из многих.
Вскоре после этого Хью был приглашён продолжить свою работу в лаборатории Дона Ингбера в Гарварде. Примерно в 2005 году Ингбер прослушал лекцию Такаямы, в которой он рассказывал о микрофабрикатном генераторе жидкостной пробки. «Я был поражен презентацией, потому что пробки, перемещающиеся по каналам, производили звук, который был точно таким же, как «треск», который меня учили слушать через стетоскоп во время осмотра лёгких, когда я был студентом-медиком». — говорит Ингбер.
Далее Хью приступил к сложной задаче построения модели альвеол, небольших мешочков на кончиках дыхательных путей, где происходит газообмен между воздухом и кровеносными капиллярами. «Я очень старался разработать что-то вроде механических носилок, которые можно было бы интегрировать в микрожидкостное устройство, где я мог бы культивировать альвеолярные клетки, а затем растягивать и расслаблять их, имитируя дыхательные движения», — вспоминает он.
Наконец, он понял, что создал важнейшую особенность устройства — гибкий клапан, который позволял ему пневматически надувать устройство и имитировать вдох лёгких.
Хью представил проект на собрании группы, где он получил высокую оценку старших учёных. В критической демонстрации Ингбер и Хью поместили бактериальные клетки в канал, содержащий клетки лёгких, затем они ввели лейкоциты в канал, содержащий эндотелиальные клетки, и продемонстрировали весь процесс адгезии иммунных клеток, диапедез (выход форменных элементов крови через стенки капилляров и мелких вен в связи с нарушением их тонуса) и фагоцитоз (поглощение бактерий лейкоцитами) в лёгочном компартменте. Другими словами, они имитировали сложные реакции, которые происходят только на уровне органов — на чипе. Их результаты были опубликованы в Science.
Фото: nplus1.ru
Затем, используя то же устройство «лёгкие на чипе», Хью смоделировал процессы отёка лёгких (иногда называемого «влажными лёгкими»), вызванные токсичностью лекарств, наблюдаемые у больных раком, получавших интерлейкин-2 (ИЛ-2), белок, регулирующий активность лейкоцитов. Чип позволял воспроизводить механические силы, связанные с физиологическими дыхательными движениями. Исследование показало, что эти движения играют решающую роль в развитии повышенной сосудистой утечки, приводящей к заболеванию. Важно отметить, что эта работа, не проводя ни одного испытания на животных, привела к выявлению потенциальных новых лекарств, которые могли бы предотвратить токсичность ИЛ-2 в будущем.
В конце концов, их системы привлекли внимание НАСА, которое хотело узнать, почему половина астронавтов, участвовавших в миссиях «Аполлон», сообщали о незначительных бактериальных или вирусных инфекциях в течение недели после возвращения, и которые стремились «лучше понять роль микрогравитации для здоровья человека и перевести это понимание на улучшение здоровья людей на Земле». Агентство недавно запустило инициативу «Тканевые чипы в космосе».
Другие исследователи быстро поняли, что концепция «орган-на-чипе» может быть расширена далеко за пределы лёгких.
«Мы сразу же начали получать запросы и звонки от фармацевтических компаний, и Ингбер заключил соглашение о спонсировании исследований с Merck», — с гордостью вспоминает Хью.
Дон Ингбер основал Институт Висса в Гарварде в 2009 году с более широкой миссией по разработке биомиметических технологий, таких как орган-на-чипе и 3D-печать. После «лёгких на чипе» у Ингбера возникла идея разработать устройство «внутренности на чипе» в качестве расширения концепции. Во время второго года работы Дэна Хью в качестве постдока в группе Ингбера в лабораторию пришёл Хон Джун Ким, имеющий опыт работы в области микробиологии. Ким разработал первую кишку на чипе, имитирующую перистальтическую (волны сжатия) функцию кишечника.
С тех пор Институт Висса создал в общей сложности 15 микрофизиологических моделей живых органов человека, включая лёгкие, кишечник, почки, кожу, костный мозг и гематоэнцефалический барьер. Чтобы имитировать физиологию всего человеческого тела и прогнозировать реакцию тканей на лекарства, исследователи Wyss разработали инструмент, который связывает до 10 различных органов-на-чипах, перемещая жидкость между их общими сосудистыми каналами.
В подтверждение своего успеха компания Wyss сейчас насчитывает около 300 сотрудников и стала мировым лидером в области исследований органов-на-чипе и инженерных разработок, вдохновлённых биологией.
Исследователи со всего мира последовали их примеру, решая множество задач: лаборатория Эйба Струка в Корнелле разработала сосудистое устройство, состоящее только из биологических компонентов, достижение, которое ещё десять лет назад казалось невозможным; команда под руководством Ганса Клеверса и Матиаса Лутольфа сформировала гомеостатический миниатюрный кишечник, внутри которого росли и регенерировали стволовые клетки кишечника, что позволило их группе смоделировать взаимодействие бактерий, необходимое для благополучия нашего кишечника; Голландская команда под руководством Джени Грутуиса и Элизабет Верпорт разработала способ тестирования лекарств на срезах печени (возможно, одной из самых сложных тканей для разработки из-за её трёхмерной и биохимической сложности, связи с другими органами и сложности хранения); а в 2016 году группа Марко Распони разработала «чип с бьющимся сердцем».
Этот список огромного вклада в медицину разработки «орган на чипе» можно продолжить.