Что такое "орган на чипе"?

В специальном отчете "Top 10 Emerging Technologies of 2016", разработанном для Всемирного экономического форума Cоветом по развивающимся технологиям (Meta-Council of Emerging Technologies) были указаны 10 новых и перспективных технологических направлений в разных сферах нашей жизни, которые, по мнению экспертов, могут трансформировать экономику, улучшить жизнь людей и даже спасти нашу планету.

В список таких технологий были включены "органы на чипе" - миниатюрная модель какого-либо человеческого органа размером с обычную флешку, которая может революционизировать медицинские исследования и разработку новых лекарств, позволяя исследователям видеть поведение биологического механизма путем, который был им ранее недоступен. Давайте попробуем кратко разобраться, что же это такое.

Во многих исследованиях и при тестировании новых лекарств на человеке, в сущности, сам человек часто не нужен, достаточно понимать, как ведет себя определенный орган человека. Более того, для этого достаточно иметь просто работающую частицу этого органа и вот наконец появилась технология, которая смогла предоставить ученым "человеческий орган в миниатюре", буквально на чипе. Первый образец такой технологии - "легкие на чипе" - был разработан в 2010 году Дональдом Ингбером из Института Висса в Гарвардском университете. И очень быстро в этой сфере появились частные, так и государственные организации, включая DARPA (U.S. Defense Advanced Research Projects Agency), которые по отдельности или совместно стали развивать направление. Сейчас уже опубликованы сообщения, что созданы миниатюрные модели легких, печени, почек, сердца, костного мозга и роговицы.

Каждый такой "орган на чипе" - это устройство размером с флешку, которое изготовлено из гибкого и прозрачного полимера. Внутри этого полимера расположены микрофлюидные* трубочки, каждая диаметром менее миллиметра и покрытая изнутри человеческими клетками, взятыми из интересующего исследователей органа. Эти трубочки образуют сложную структуру внутри чипа. Когда питательные вещества, кровь или тестируемые компоненты, такие как экспериментальные лекарства, пропускаются через эти трубочки, клетки в них повторяют некоторые основные функции живого органа, из которого они взяты.

Полости внутри чипа могут быть созданы таким образом, чтобы имитировать конкретную структуру ткани органа, такую, как, например, миниатюрные воздушные мешочки в легких. Воздух проходящий через эти каналы может таким образом очень точно моделировать человеческое дыхание. Другой пример: кровь, содержащая бактерии, может прокачиваться сквозь микрофлюидные трубочки, а ученые могут за счет этого наблюдать, как клетки реагируют на инфекцию, причем без риска для человека. Т.е. технология позволяет ученым видеть биологические механизмы и физиологическое поведение определенного человеческого органа, что ранее было невозможно.

"Орган на чипе" позволяет проводить реалистичные и точные испытания новых лекарств. В прошлом году, например, с помощью такого устройства исследователи имитировали процесс выработки гормонов эндокринными клетками в кровь и использовали этот процесс для проведения важнейших испытаний нового лекарства от диабета.

Такие миниатюрные устройства могут использоваться и в персонализированной медицине. Например, если создать микрочипы с использование стволовых клеток пациента и затем с их помощью протестировать различные виды терапии, чтобы идентифицировать метод, который наилучшим образом может помочь пациенту.

Преимуществ множество, мы здесь не в состоянии их все перечислить. Упомянем только, что эта технология может спасти миллионы жизней животных, которых ежегодно приносят в жертву для исследований.

* Микрофлюидная технология – решение, которое реализуются в виде чипов с микро-капиллярами, которые соединяют между собой разные стадии лабораторных процедур и позволяют производить разные манипуляции с единичными клетками.