Ключевые слова: клетка, орган на чипе.
Множество болезней человека связаны с нарушениями деятельности органов (сердечная недостаточность, почечная недостаточность, сахарный диабет и др.) Фармакология и хирургия не всегда способны исправить эти нарушения.
Наука и медицина изобрели целый ряд альтернативных способов, как восстановить функции органов в случае их поражения:
1) Стимуляция процессов регенерации в организме путем введения в организм стволовых клеток, которые имеют способность к превращению в полноценные функциональные клетки организма.
2) Выращивание органов — искусственно внутри либо вне организма. Также возможно выращивание органа из клеток реципиента. Существуют методы выращивания органов с помощью специальных 3D-принтеров. [1]
Ценное открытие ученых орган на чипе — это небольшая пластинка с ячейками, заселенными определенными типами клеток. Эти ячейки соединяются системой каналов по типу кровотока между группами клеток органа. Жизнедеятельность данных клеток поддерживается путем помещения чипа в специальный реактор, который проводит по каналам питательные растворы под определенными условиями (температура, содержание газов, давление).
Первый орган на чипе — легкие — был разработан в 2010 году Дональдом Ингбером из Института Висса в Гарвардском университете. Каналы в чипе состоят из двух частей — пористой мембраны, с одной стороны которой — клетки легкого, а с другой — клетки стенки сосуда. Через клетки легкого проходит воздух, а через сосуды движется жидкость. В чипе есть два вида лунок: голубые и красные. В голубые добавляют то, что поступает из воздуха, а в красные — то, что должно попасть в кровь. [2]
В середине 70-х годов Дональд Ингбер увидел скульптуру, построенную по принципу тенсегрити. Ее конструкция состояла из прочных балок, держащихся за счет системы натянутых тросов, не касающихся друг друга. Сама структура поддерживалась благодаря полностью сбалансированных натяжений гибких элементов. Ученый подумал, что и устройство живой клетки может быть таким же. На самом деле оказалось так, как он и предполагал [3].
Разработка препарата in vitro -Живая клеточная модель кишечника, имитирующая механические, структурные, абсорбционные, транспортные и патофизиологические свойства кишечника человека вместе с его важнейшими микробными симбионтами, может ускорить фармацевтическое развитие и потенциально заменить тестирование на животных. Состоит она из двух микрофлюидных каналов, разделенных пористой гибкой мембраной, покрытой внеклеточным матриксом (ECM) и выстланной клетками кишечного эпителия человека (Caco-2), которые имитируют сложную структуру и физиологию живого кишечника. Микроокружение кишечника воссоздается текучей жидкостью с низкой скоростью (30 мкл ч-1) создание низкого напряжения сдвига (0,02 Дин см-2) над микроканалами и путем приложения циклической деформации (10 %; 0,15 Гц), имитирующей физиологические перистальтические движения. В этих условиях развивается столбчатый эпителий, который быстро поляризуется, самопроизвольно разрастается в складки, повторяющие структуру кишечных ворсинок, и образует высокий барьер целостности для мелких молекул, который имитирует весь кишечник. Эта модель повторяет многочисленные динамические физические и функциональные особенности кишечника человека, которые имеют решающее значение для его функционирования в контролируемой микрофлюидной среде, которая поддается исследованию транспорта, абсорбции и токсичности, и поэтому она должна иметь большое значение для тестирования лекарств, а также разработки новых моделей кишечных заболеваний.
Особое место в клинических исследованиях заняло создание чипа гематоэнцефалического барьера. Его создали из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) крови человека. Из ИПСК собрали разные типы клеток, которые составляют гематоэнцефалический барьер, и затем поместили в специальную микросреду, которая соответствует естественной в организме человека. [3]
В данной системе используются два прямоугольных микропроизведенных отсека, представляющих мозг и спинномозговую жидкость (ЦСЖ), которые разделены плоским эпендимальным слоем, образующим барьер мозг-ЦСЖ. Верхняя камера включает нейроны (фиолетовые и синие) и искусственный капилляр из полых волокон (HF). Эндотелиальные клетки выстилают люминальную поверхность HF, а астроциты и перициты покрывают аблюминальную поверхность. Нижняя камера заполнена ЦСЖ и содержит небольшое полое волокно и большую венулу HF. Клиническое использование этой модели складывается из ее универсальности для размещения клеток пациентов с известными патологиями, которые подвергаются (или не подвергаются) медикаментозному лечению [4].
Схема получения индуцированных плюрипотентных клеток.
(1) — изолирование и культивирование донорных клеток
(2) — трансфекция ассоциированных со стволовой клеткой генов в донорные клетки с помощью вирусных векторов.
(3) — сбор и культивирование клеток соответственно культуре эмбриональных стволовых клеток, используя митотически неактивированные фидерные клетки (светло-серые, клетки, используемые в культуре для опоры и питания ПСК, фидерные клетки обработаны таким образом, чтобы они не делились)
(4) — небольшое количество клеток становятся iPS-клетками (Induced Pluripotent Stem Cells) и генерируют подобные эмбриональным колонии стволовых клеток. [5]
На сегодняшний день на чипах уже смоделировали множество органов и тканей. Инженеры MIT создали совершенно новую технологию для изучения лекарственных средств и выявления их негативных воздействий на человека. Они объединили десять моделей разных органов для создания «организма на чипе». Данная разработка прослужила около месяца и дала возможность ученым оценить влияние анальгетических средств на организм.
Технологии выращивания органов в лабораториях стремительно развиваются. В ближайшее будущее возможен полный переход на искусственно выращенные органы и исчезнут большие донорские очереди. На сегодняшний день люди научились выращивать кости анатомической формы, значит не за горами и производство органов вплоть до клеточного уровня.
Литература:
- studfile.net/preview/6024519/page:2/
- Искусственные органы и тканевая инженерия. — Текст: электронный // yandex.ru/health: [сайт]. — URL: https://yandex.ru/health/turbo/articles?id=6893
- thepresentation.ru/medetsina/stvolovye-kletki-6
- ipsc-technology.livejournal.com/
- cyberleninka.ru/article/n/napravlennoe-pereprogrammirovanie-somaticheskih-kletok-preimuschestva-i-nedostatki-indutsirovannyh-plyuripotentnyh-stvolovyh???history=19&pfid=1&sample=5&ref=0
