Технология "орган-на-чипе"

Введение

Рисунок 1. Органы-на-чипе (OoC). Изображение сгенерировано OpenAI.

С момента своего появления в начале 2010-х годов [J. Ko, D. Park, et al. 2022.] технология «орган-на-чипе» переживает стремительное развитие и вызывает все больший интерес со стороны биомедицинского сообщества. Традиционные двумерные культуры в чашках Петри и модели животных имеют неотъемлемые ограничения в точном воспроизведении физиологии человека. В отличие от них, системы "орган-на-чипе" предлагают более репрезентативную модель in vitro, преодолевая разрыв между доклиническими и клиническими результатами при разработке лекарств и изучении заболеваний.

Зачем нам нужны «органы-на-чипе»?

Ограничения 3D-культуры клеток

3D-культура клеток, безусловно, обладает большими преимуществами по сравнению с 2D-культурой клеток. Она облегчает дифференциацию клеток и организацию тканей, приближая их к физиологическим условиям живых организмов.

Рисунок 2. 3D-культура клеток. Изображение сгенерировано OpenAI.

Однако при организации 3D-клеток возникают новые проблемы, которые необходимо преодолеть:

• Гетерогенность: изменчивость распределения и организации клеток в 3D-культурах может привести к непостоянному поведению и реакции клеток.

• Ограничения диффузии: ограничения диффузии питательных веществ и кислорода в плотных 3D-культурах могут привести к клеточному стрессу и нарушению жизнеспособности, особенно во внутренних областях. Кроме того, недостаточная прозрачность скаффолдов затрудняет их точное изображение с помощью обычных методов микроскопии, что создает еще одну сложность в оценке клеточного поведения и взаимодействия.

• Механическое влияние: вариации механических свойств скаффолдов могут влиять на поведение клеток и их фенотип, оказывая воздействие на имитацию тканей.

Потребность в микрофлюидике для создания физиологически значимых моделей

Микрофлюидические системы необходимы для создания соответствующих 3D-моделей клеточных культур благодаря их способности имитировать физиологические условия и обеспечивать точный контроль над микросредой [N. R, A. Aggarwal, et al., 2023]. В отличие от традиционных статических культур, микрофлюидные системы обеспечивают динамический поток культуральной среды, гарантируя равномерное распределение питательных веществ и удаление отходов по всей клеточной конструкции [Q. Wu et al., 2020]. Такая непрерывная перфузия поддерживает жизнеспособность и функционирование клеток в течение длительного времени, что очень напоминает обмен питательными веществами, наблюдаемый in vivo. Кроме того, микрофлюидические платформы позволяют создавать пространственные градиенты сигнальных молекул, таких как факторы роста и кислород, которые играют важнейшую роль в поведении и дифференцировке клеток [S. Kim, et al, Nov. 2010]. Точно воспроизводя эти сложные микросреды, микрофлюидика повышает достоверность 3D-моделей клеточных культур, делая их более физиологичными для биомедицинских исследований и разработки лекарств.

Что такое «органы-на-чипе»?

Основы технологии «орган-на-чипе»

Платформы «орган-на-чипе» - это микроинженерные чипы, разработанные для эмуляции основных функций органов и тканей in vitro. В отличие от традиционных клеточных культур или моделей животных, основной целью OoC является не воспроизведение целых органов, а имитация определенных функций органов для проведения целевых исследований. Эти платформы обеспечивают баланс между сложностью и управляемостью, предоставляя исследователям четко определенную, физиологически релевантную среду для изучения специфических для конкретного органа явлений.

В основе платформ «орган-на-чипе» лежат три фундаментальные характеристики [J. Ko, D. Park, et al. 2022]:

• Расположение клеток в условиях, похожих на естественные: Системы "орган-на-чипе" имитируют пространственную организацию клеток в естественных тканях, что позволяет воссоздать тканеспецифическую архитектуру и клеточные взаимодействия. Такое пространственное расположение крайне важно для точного моделирования функций органов и реакции на раздражители.

• Культивирование нескольких типов клеток: Платформы «орган-на-чипе» позволяют совместно культивировать несколько типов клеток, что отражает гетерогенность и сложность нативных тканей. Включая различные клеточные популяции, исследователи могут воссоздать микросреду и клеточное взаимодействие, наблюдаемые в естественных условиях, что повышает физиологическую значимость моделей «орган-на-чипе».

• Биохимические и биофизические стимулы: Платформы «орган-на-чипе» объединяют биохимические и биофизические стимулы, чтобы имитировать динамическую природу функционирования тканей. Эти стимулы, такие как факторы роста, электрические сигналы, механические силы и тепловые градиенты, играют жизненно важную роль в регулировании клеточного поведения и тканевого гомеостаза in vivo.

Чтобы реализовать эти характеристики, платформы «орган-на-чипе» используют сочетание инженерных принципов и методов клеточной биологии. Эти чипы соединены с микрофлюидическими системами, что позволяет эффективно перфузировать клетки и регулировать различные стимулы. Тщательно манипулируя этими факторами, исследователи могут адаптировать платформы «орган-на-чипе» для точного моделирования определенных функций органов и патофизиологических состояний.

Как изготовить «орган-на-чипе»?

Методы микрообработки

Для создания систем «орган-на-чипе» используются различные стратегии микрофабрикации, при этом преобладающим подходом является мягкая литография [J. Ko, D. Park, et al. 2022].

Мягкая литография, впервые примененная группой Уайтсайдса, предполагает копирование микромасштабных элементов с фотолитографических форм на полидиметилсилоксан (ПДМС), который затем собирается со стеклянными предметными стеклами с помощью кислородно-плазменного склеивания. Эта техника обладает такими преимуществами, как простота изготовления, обработки, интеграции, длительного культивирования клеток, а также визуализации и мониторинга культур «орган-на-чипе» в режиме реального времени, но имеет свои ограничения, связанные с адсорбцией малых молекул [B. J. van Meer et al., 2017].

Литье под давлением - еще один широко используемый метод изготовления, особенно в коммерциализированных системах «орган-на-чипе», благодаря возможности массового производства. Термопласты и эластомеры - широко используемые материалы, обеспечивающие оптическую прозрачность, жесткость и совместимость с микрофлюидическими приложениями. Отлитые под давлением устройства «орган-на-чипе» могут быть сконструированы таким образом, чтобы имитировать обычные планшеты, что облегчает совместимость с существующими системами обработки жидкостей и считывания данных [H. Becker and L. E. Locascio, 2002].

Методы 3D-печати стали универсальным инструментом для изготовления устройств «орган-на-чипе» с точным контролем геометрии микроканалов и имеют реальный потенциал для крупномасштабного производства [A. K. Au, 2016]. Чернила для печати, состоящие из натуральных или синтетических материалов, можно наносить слой за слоем для создания сложных микрофлюидных архитектур. 3D-печать позволяет воспроизводить сложные структуры на уровне тканей и органов, что повышает физиологическую значимость моделей «орган-на-чипе». При этом могут использоваться различные методы (микроэкструзия, струйная или лазерная печать). Наилучшим пространственным разрешением обладают лазерные технологии, но струйная печать позволяет одновременно печатать клетки.

3D принтеры для микрофлюидики

Эти различные методы микрофабрикации играют важную роль в разработке платформ «орган-на-чипе», предлагая разнообразные возможности для создания физиологически значимых микросреды.

Для чего используются «орган-на-чипе»?

Области применения технологии «орган-на-чипе»

Моделирование заболеваний

Доклинические модели животных играют важную роль в разработке лекарств, однако они не могут точно предсказать реакцию человека из-за ограничений, связанных с имитацией физиологии и генетики человека. Кроме того, недавние исследования поставили под сомнение их предсказательную способность и подчеркнули этические проблемы, высокую стоимость и низкую производительность. Модели «орган-на-чипе», ориентированные на конкретные заболевания, позволяют получить уникальные сведения о развитии болезни, патофизиологии и потенциальных терапевтических вмешательствах. Точно имитируя физические, поведенческие и структурные характеристики тканей и органов, платформы «орган-на-чипе» предлагают надежный подход для изучения механизмов заболеваний и тестирования новых методов лечения [C. J. Mandrycky, et al, 2021].

Скрининг лекарственных препаратов

При скрининге лекарственных препаратов часто возникают проблемы с поиском экономически эффективных и физиологически релевантных решений, поскольку традиционные животные модели по-прежнему доминируют в доклинической оценке. Ограниченная масштабируемость, связанная с тестированием на животных, означает, что только часть потенциальных кандидатов в лекарственные препараты из обширных молекулярных библиотек может быть тщательно изучена. Технология «орган-на-чипе» представляет собой смену парадигмы в скрининге лекарственных препаратов, обеспечивая превосходную физиологическую релевантность по сравнению с традиционными культурами клеток (рис. 3). Микрофлюидные чипы, встроенные в платформы «орган-на-чипе», облегчают создание биохимических градиентов, концентраций, позволяя исследователям изучать клеточный ответ на лекарственные соединения с беспрецедентной детализацией. Платформы «орган-на-чипе» служат бесценным инструментом для оценки фармакокинетики, профилей токсичности и потенции лекарств, тем самым упрощая процесс разработки лекарств и уменьшая зависимость от животных моделей [C. Heylman, et al. 2014], [D. T. T. Phan et al. 2017].

Рисунок 3. Стандартная дорожная карта разработки лекарств - от силлических моделей до пациентов. Сравнение баланса между воспроизводимостью и физиологической значимостью. Адаптировано из [S. Deng et al., 2023]

Испытания на токсичность

По сравнению с традиционными доклиническими моделями, платформы «орган-на-чипе» обеспечивают повышенную предсказуемость и точность при оценке токсичности лекарств. Встроенные в устройства «орган-на-чипе» датчики позволяют в режиме реального времени отслеживать клеточные реакции на лекарственные соединения, облегчая выявление неблагоприятных эффектов и потенциальных проблем безопасности. Реконструируя сложную тканевую микросреду и моделируя функции органов, технология «орган-на-чипе» улучшает оценку токсичности лекарств и повышает эффективность процессов отбора кандидатов в лекарственные препараты [S. A. P. Rajan et al., 2020], [C. Oleaga et al., 2016].

Какие органы можно смоделировать технологией «орган-на-чипе»?

Модели органов в технологии «орган-на-чипе»

Технология «орган-на-чипе» произвела революцию в области биомедицинских исследований, предоставив передовые платформы для моделирования сложных систем органов in vitro. Эти модели органов, созданные с помощью микрофлюидных устройств, точно воспроизводят структурные и функциональные характеристики человеческих органов, предлагая беспрецедентное понимание механизмов заболеваний, реакции на лекарства и профилей токсичности. Здесь мы рассмотрим некоторые из ключевых моделей органов, разработанных на платформах «орган-на-чипе», выделив соответствующие типы клеток и модели заболеваний.

Модель легкого (LOC)

Модель легкого на чипе стала одной из первых вех технологий «орган-на-чипе»: в 2010 году институт Уайсса при Гарвардском университете разработал "дышащее легкое" [D. Huh, 2010]. Поскольку качество воздуха во всем мире продолжает снижаться, что приводит к росту респираторных заболеваний, растет потребность в моделях легких in vitro, подобных технологиям«орган-на-чипе» [I. Francis, 2022]. Модель легкого на чипе состоит из эпителиальных клеток, эндотелиальных клеток и иммунных клеток, имитирующих альвеолярно-капиллярный интерфейс. Эта модель играет важную роль в изучении респираторных заболеваний, таких как астма, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и легочный фиброз. Подвергая модель легких воздействию токсинов окружающей среды, патогенов и лекарственных соединений, исследователи могут выяснить патогенез заболевания и оценить терапевтические вмешательства.

Модель печени (LiOC)

Модель печени на чипе включает в себя гепатоциты, клетки Купфера, стеллатные клетки и эндотелиальные клетки или производные плюрипотентных стволовых клеток человека (рис. 4), воспроизводящие функции и взаимодействия печени. Это ценный инструмент для изучения заболеваний печени, включая гепатит, жировую болезнь печени и лекарственно-индуцированное повреждение печени. Модель печени облегчает оценку метаболизма лекарств, гепатотоксичности и взаимодействия лекарств, помогая в разработке более безопасных и эффективных лекарств. [N. R, A. Aggarwal, 2023], [C. H. Beckwitt et al., 2018].

Рисунок 4. Монтаж печени на чипе из производных человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPSC). Адаптировано из [F. Yu et al., 2020]

Модель почки

Модель "почка-на-чипе" состоит из почечных эпителиальных клеток, эндотелиальных клеток и иммунных клеток, напоминающих структуру и функции нефрона. Исследователи используют эту модель для изучения таких заболеваний почек, как острое повреждение почек, поликистоз почек и диабетическая нефропатия. Имитируя гломерулярную фильтрацию, канальцевую реабсорбцию и интерстициальное воспаление, модель почки позволяет изучать механизмы заболеваний и проводить скрининг потенциальных терапевтических средств.

Модель сердца

Модель сердца на чипе включает в себя кардиомиоциты, фибробласты, эндотелиальные клетки и клетки-предшественники сердца, повторяя архитектуру ткани миокарда. Она служит ценной платформой для изучения сердечно-сосудистых заболеваний, включая аритмии, инфаркт миокарда и сердечную недостаточность [M. Abulaiti et al., 2020], [ J. Criscione, Z. Rezaei, 220]. Подвергая модель сердца механической нагрузке, электрической стимуляции и воздействию лекарственных соединений, исследователи могут оценить функцию сердца, кардиотоксичность препаратов и эффективность кардиотерапии (рис. 5).

Рисунок 5. Подготовка сердца-на-чипе. (a) Макроскопический вид микрофлюидного чипа. (b) Репрезентативный макроскопический вид сердца-на-чипе. Стрелка указывает на 3D сердечные микроткани, полученные из iPSC человека, прикрепленные к микрофлюидному чипу. Пунктирный круг указывает на положение толкателя. Масштабная линейка = 2 мм. (c) (d) Схема структуры и рабочих механизмов. Адаптировано из [M. Abulaiti et al, 2020].

Модель мозга

Модель мозга на чипе состоит из нейронов, астроцитов, микроглии и эндотелиальных клеток, имитирующих нейронную сеть и гематоэнцефалический барьер (рис. 6). Она облегчает изучение нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и инсульт. Повторяя связь между нейронами, синаптическую функцию и нейровоспалительные реакции, модель мозга позволяет понять патогенез заболевания и потенциальные стратегии нейропротекции.

Рисунок 6. Гематоэнцефалический барьер -на-чипе, поддерживаемый живой микрососудистой сетью. Глобальный вид астроцитов (красный) и микрососудистой сети, образованной эндотелиальными клетками (зеленый). Адаптировано из [D. T. Phan et al., 2017].

Эти модели органов на платформах «орган-на-чипе» представляют собой сложные инструменты для моделирования заболеваний, скрининга лекарств и тестирования токсичности. Благодаря интеграции множества типов клеток в физиологически релевантную микросреду, технология «орган-на-чипе» открывает огромные перспективы для углубления понимания биологии человека и ускорения разработки новых терапевтических средств. Более того, появление мультиорганных моделей на чипе позволяет объединить несколько моделей органов (сердце-печень [ C. P. Pires De Mello et al., 2020], печень-почка [V. V. T. Nguyen et al., 2022], мозг-печень [L. Koenig et al. 2022] и т. д.), что дает возможность изучать сложные взаимодействия органов и системные реакции на лекарства и заболевания (рис. 7). Эти сложные платформы «органы-на-чипе» представляют собой мощные инструменты для моделирования заболеваний, скрининга лекарств и тестирования токсичности, обещая произвести революцию в биомедицинских исследованиях и разработке терапии.

Рисунок 7. Мультиорганы на чипе для оценки неблагоприятных лекарственных реакций на коже. Адаптировано из [S. Deng et al., 2023]

Каковы будущие направления технологии «орган-на-чипе»?

Ограничения и перспективы

Сложность имитации многоклеточных взаимодействий

Воссоздание сложных многоклеточных взаимодействий и интерфейсов между тканями и органами, наблюдаемых в естественных условиях, остается одной из главных задач технологии «орган-на-чипе». Хотя существующие модели отражают некоторые аспекты физиологии органов, им часто не хватает сложности и гетерогенности нативных тканей. Включение иммунных клеток, структурных клеток, лимфатической системы и других стромальных компонентов в «орган-на-чипе» является ключевым направлением для повышения физиологической релевантности этих моделей и улучшения их предсказательной ценности для тестирования лекарств и моделирования заболеваний.

Воспроизводимость и усилия по стандартизации

Несмотря на значительные успехи, технология «орган-на-чипе» по-прежнему сталкивается с проблемами, связанными с воспроизводимостью, масштабируемостью и стандартизацией. Различия в источниках клеток, условиях культивирования и процессах микрофабрикации могут влиять на результаты экспериментов и препятствовать сопоставимости исследований. Отсутствие стандартизированных протоколов и нормативных рекомендаций создает значительные препятствия для широкого внедрения технологии «орган-на-чипе» в доклинические исследования и разработку лекарств. Для достижения консенсуса по экспериментальным методикам, критериям валидации и этическим соображениям необходимы совместные инициативы с участием академических кругов, промышленности и регулирующих органов. Четкие пути регулирования анализов и устройств на основе технологии «орган-на-чипе» необходимы для обеспечения их принятия и интеграции в основные биомедицинские исследования и клиническую практику.

Рисунок 8. Проблема стандартизации для технологии «орган-на-чипе». Сгенерировано openAI.

Будущие направления

Несмотря на имеющиеся проблемы, технология «орган-на-чипе» открывает огромные перспективы для углубления понимания биологии человека и механизмов развития заболеваний. Будущие направления исследований включают интеграцию моделей нескольких органов для имитации системной физиологии, расширение возможностей прогнозирования с помощью вычислительного моделирования и искусственного интеллекта [S. Deng et al., 2023] и развитие персонализированной медицины за счет использования клеток и тканей, полученных от пациентов. Постоянные инвестиции в технологические инновации, изучение материалов и нормативно-правовую поддержку будут иметь решающее значение для реализации всего потенциала технологии «орган-на-чипе» и ее клинического применения для улучшения здоровья человека.

Заключение