Изучение использования технологий орган-на-чипе в исследованиях сосудистой ткани

Что такое технологии Organ-on-a-Chip?

Устройства «орган на чипе» представляют собой микроинженерные системы, которые воссоздают ключевые физиологические особенности человеческих органов в небольшой, часто прозрачной платформе. Эти устройства интегрируют живые клетки, обычно полученные человеком, с микрофлюидными каналами, которые позволяют контролировать перфузию питательных веществ, кислорода и тестовых соединений. Имитируя динамическую микросреду тканей, включая механические силы, такие как сдвигающий стресс от потока жидкости и циклический растяжение от дыхания или биения, чипы органов производят функциональные реакции, которые очень похожи на те, которые наблюдаются в живых организмах.

Технология возникла из конвергенции микрофлюидики, тканевой инженерии и клеточной биологии. Ранние прототипы были сосредоточены на функциях одного органа, таких как легкие на чипе, разработанные группой Дональда Ингбера в Институте Висса, которые реплицировали альвеолярно-капиллярный интерфейс. С тех пор были созданы чипы, представляющие печень, почки, кишечник, сердце и кровеносные сосуды. В сосудистых исследованиях, в частности, эндотелий — внутренняя оболочка кровеносных сосудов — культивируется внутри микроканалов, позволяя исследователям наблюдать взаимодействие в реальном времени между эндотелиальными клетками, клетками гладкой мышцы и циркулирующими иммунными клетками в условиях потока. Эта установка обеспечивает уровень контроля и наблюдения, невозможный в традиционных блюдах статической культуры или моделях животных.

Чипы обычно изготавливаются с использованием мягкой литографии с полидиметилсилоксаном (PDMS), прозрачным, биосовместимым эластомером. Более продвинутые версии включают датчики для рН, кислорода или электрического сопротивления, что позволяет постоянно контролировать целостность барьера или метаболическую активность. Некоторые системы также включают растягиваемые мембраны, чтобы имитировать пульсативную природу кровотока. По мере созревания поля регулирующие органы, такие как FDA, начали оценивать чипы органов как потенциальные платформы для тестирования лекарств и скрининга токсичности, сигнализируя о растущем принятии этих моделей в доклинических исследованиях.

Применение в исследованиях сосудистой ткани

Сосудистые ткани — артерии, вены, капилляры — являются центральными для почти каждого физиологического процесса, от доставки кислорода до иммунного наблюдения. Дисфункция в этих тканях лежит в основе основных заболеваний, включая атеросклероз, связанные с диабетом микрососудистые осложнения, инсульт и ангиогенез опухоли. Платформы орган-на-чипе предлагают уникальное окно в эти процессы, предоставляя живую трехмерную модель сосуда, которая может быть напряжена, повреждена или обработана лекарствами при наблюдении при клеточном разрешении.

Моделирование атеросклероза и тромбоза

Атеросклероз, накопление бляшек внутри артерий, включает в себя сложные взаимодействия между эндотелиальными клетками, воспалительными макрофагами, липидами и клетками гладкой мышцы. Исследователи спроектировали сосудистые чипы, выстланные эндотелиальными клетками человека, и подвергли их колебательным или нарушенным структурам потока, которые имитируют области, склонные к образованию бляшек. Эти чипы могут рекапитулировать ранние стадии атерогенеза, такие как повышенная эндотелиальная проницаемость, адгезия к моноцитам и образование клеток пены. Исследование 2019 года, опубликованное в Nature Biomedical Engineering , использовало сосудистый чип, чтобы продемонстрировать, что нарушенный поток активирует воспалительные пути таким образом, что близко соответствует образцам артерий человека. Такие модели также позволяют тестировать антиатеросклеротические препараты, такие как статины или ингибиторы PCSK9, в контексте человека, снижая частоту отказов соединений-кандидатов в клинических испытаниях.

Для тромбоза чипы могут быть покрыты тромбогенными субстратами (например, коллагеном или тканевым фактором) и перфузированы цельной кровью для изучения образования сгустков в потоке. Этот подход использовался для оценки антиагрегантной и антикоагулянтной терапии, исследования нарушений свертывания крови и моделирования патологического свертывания, наблюдаемого в таких условиях, как COVID-19-ассоциированная коагулопатия. Способность изменять скорость сдвига и добавлять клетки или плазму, полученные от пациента, позволяет персонализировать оценку тромботического риска.

Изучение ангиогенеза и сосудистого ремоделирования

Ангиогенез — рост новых кровеносных сосудов из существующих — имеет решающее значение в развитии, заживлении ран и раке. Сосудистые чипы были разработаны с соседними отсеками для посева эндотелиальных клеток и перисосудистых клеток, разделенных матричным каркасом. Добавляя проангиогенные факторы (например, VEGF) в градиент, исследователи могут наблюдать прорастание, разветвление и формирование сети в режиме реального времени. Эти модели показали, что механические силы, такие как интерстициальный поток, играют руководящую роль в направленности сосудов, что трудно уловить в статических 2D-культурах.

Кроме того, чипы могут имитировать микроокружение опухоли путем кокультивации эндотелиальных клеток с раковыми клетками. Такие модели помогают изучать, как опухоли кооптируют кровеносные сосуды для подачи питательных веществ и как антиангиогенные методы лечения (например, бевацизумаб) влияют на нормализацию сосудов. В недавней научной статье описан многоканальный чип, который воссоздал метастатический каскад , включая интравазацию раковых клеток в сосудистые каналы, предлагая платформу для тестирования лекарств, предотвращающих распространение.

Гипертония и проницаемость сосудов

Повышенное кровяное давление изменяет эндотелиальную функцию, увеличивая проницаемость сосудов и способствуя воспалению. Модели орган-на-чипе могут подвергаться контролируемому гидростатическому давлению и скорости потока для имитации гипертонических состояний. Исследователи измерили изменения барьерной функции через трансендотелиальное электрическое сопротивление (TEER) и наблюдали повышенную утечку флуоресцентных индикаторов. Эти чипы также могут включать клетки гладких мышц для изучения сосудорасширяющих свойств и эффектов сосудорасширяющих средств, таких как доноры оксида азота. Этот подход обеспечивает механистическое понимание того, как гипертония повреждает микрососудистую систему и предлагает экран для антигипертензивных соединений, которые защищают эндотелий.

Преимущества орган-на-чипе в сосудистые исследования

The shift from traditional cell culture and animal models to organ chips brings several concrete benefits for vascular studies:

Физиологическая значимость

В чашках для статической культуры отсутствует поток, что необходимо для выравнивания эндотелиальных клеток, экспрессии генов и функционирования. Органные чипы включают в себя сдвигающий стресс, циклическое растяжение и удаление отходов, которые имеют решающее значение для поддержания дифференцированного функционального эндотелия. Это приводит к более точным реакциям на лекарства и профилям токсичности. Например, лекарства, которые вызывают тяжелые сосудистые повреждения у людей, такие как некоторые химиотерапевтические препараты, могут быть пропущены в статических анализах, но обнаружены в чипах на основе потока.

Сокращение использования животных

В то время как модели на животных были бесценны, они часто не могут предсказать реакцию человека из-за различий в метаболизме лекарств, иммунной функции и сосудистой биологии. Чипы органов могут заменить или уменьшить количество животных, используемых в раннем этапе тестирования, в соответствии с принципом 3Rs (замена, сокращение, уточнение). Некоторые компании и академические лаборатории уже используют чипы органов для скрининга соединений перед переходом к исследованиям in vivo, тем самым сокращая затраты и этическое бремя.

Высокопроизводительный скрининг и автоматизация

Современные платформы для чипов органов разрабатываются для многолуночных форматов — 96 или даже 384 чипа на пластину — совместимых с автоматизированными обработчиками жидкости и системами визуализации. Это позволяет исследователям одновременно тестировать сотни условий, скрининг эффективности, токсичности и побочных эффектов на сосудистые ткани. Такая пропускная способность недостижима с традиционными моделями животных или сложными органотипическими культурами.

Персонализированная медицина

Используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) или первичные эндотелиальные клетки от конкретных доноров, сосудистые чипы могут моделировать индивидуальные изменения реакции на лекарства или восприимчивости к болезням. Например, чипы, выстланные клетками пациента с генетической мутацией в гене NOTCH3 (ассоциированный с CADASIL), могут воспроизводить такие особенности заболевания, как нарушение сосудореактивности. Этот персонализированный подход может направлять выбор лечения и даже прогнозировать неблагоприятные события до введения.

Мониторинг и допрос в режиме реального времени

Прозрачная природа большинства материалов чипа позволяет непрерывно визуализировать флуоресцентные маркеры в живых клетках, отслеживать локализацию белка, передачу сигналов кальция или миграцию клеток. Интегрированные датчики обеспечивают считывание потребления кислорода, изменений рН или перепадов давления по сосуду. Это богатство временных данных позволяет динамическое понимание сосудистой биологии, которое не могут обеспечить анализы конечных точек.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на быстрый прогресс, технология орган-на-чипе для сосудистых исследований сталкивается с несколькими препятствиями, которые необходимо преодолеть для широкого внедрения в промышленности и клинических условиях.

Сложность и воспроизводимость

Изготовление микросхем с точной геометрией, покрытие их белками внеклеточного матрикса и засев их жизнеспособными клетками требует технических знаний. Многофакторная изменчивость в производстве чипов или клеточном снабжении может повлиять на экспериментальные результаты. В настоящее время предпринимаются усилия по стандартизации, такие как усилия, предпринимаемые Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Международной организацией по стандартизации (ISO), для определения показателей контроля качества. Однако многие лаборатории по-прежнему полагаются на собственные разработки, что затрудняет перекрестное сравнение исследований.

Масштабируемость и стоимость

В то время как некоторые компании коммерциализировали чипы для органов (например, чип-S1 от Emulate, многоорганные платформы TissUse), стоимость единицы остается относительно высокой по сравнению с 96-луночным планшетом. Масштабирование для больших фармацевтических экранов или клинической диагностики потребует более дешевых материалов (например, термопластов вместо PDMS) и более автоматизированной сборки. Достижения в области 3D-печати и литья под давлением, как ожидается, снизят затраты в ближайшие несколько лет.

Интеграция нескольких систем органов

Следующим рубежом является разработка платформ «тело-на-чипе», которые соединяют несколько чипов органов для моделирования системных взаимодействий. Например, чип печени может метаболизировать препарат, и полученные метаболиты могут быть переданы сосудистому чипу для оценки эндотелиальной токсичности. Такие многоорганные системы требуют тщательного сопоставления скорости потока, состава среды и масштабирования органов. Недавние работы продемонстрировали возможность связывания чипов сердца, печени и легких, но сосудистая интеграция остается ключевой проблемой, потому что эндотелий присутствует практически в каждом органе и служит барьером. Исследование в Nature Biomedical Engineering продемонстрировало систему, которая связывала кишечный чип с чипом печени и чипом почек , подчеркивая потенциал для фармакокинетического моделирования.

Вазкулирование 3D-тканей

Большинство чипов органов моделируют кровеносные сосуды как 2D-каналы, но капилляры in vivo образуют сложные 3D-сети. Усилия по созданию 3D-васкуляризированных тканей внутри чипов — путем встраивания эндотелиальных клеток в гидрогели и обеспечения самоорганизации — прогрессируют. Однако достижение перфузионных, стабильных микрососудистых сетей, которые имитируют иерархию in vivo, остается серьезной инженерной задачей. Активно изучаются такие методы, как жертвенное формование (с использованием шаблона, который позже растворяется) или биопечать сосудистых структур.

Регуляторное принятие и валидация

Для того чтобы чипы органов стали стандартным инструментом в разработке лекарств, их необходимо проверить на соответствие существующим наборам данных. FDA в рамках своей Модернизации сокращенного нового применения лекарств (2012) поощряет использование альтернативных методов. В 2021 году агентство инициировало пилотную программу по оценке использования чипов органов для тестирования эффективности и токсичности. Ранние пользователи демонстрируют, что сосудистые чипы могут с высокой точностью прогнозировать повреждение сосудов, вызванное лекарственными средствами, но более широкое принятие потребует всесторонней проверки на нескольких лекарствах и заболеваниях.

Ключевые технологии, ведущие к прогрессу

Несколько технологических инноваций ускоряют полезность микросхем сосудистых органов:

Примеры платформ Organ-on-a-Chip для сосудистого исследования

В настоящее время широко используются ряд коммерческих и академических платформ:

Имитировать VivoChip

Система VivoChip (Emulate, Inc.) использует запатентованную конструкцию орган-чип с двумя параллельными каналами, разделенными пористой мембраной, что позволяет кокультурировать эндотелиальные клетки с другими типами клеток (например, эпителий легких или кишечный барьер). Исследователи могут применять циклический растяжек для имитации дыхания или перистальтики. Платформа использовалась для изучения сосудистой утечки при сепсисе и вызванной лекарственными препаратами сосудистой травме.

Mimetas OrganoPlate

Миметас (Нидерланды) предлагает многотонную микрожидкую пластину, которая использует 3D-гелевую матрицу для поддержки образования сосудов. Эндотелиальные клетки самоорганизуются в перфузионные канальцы внутри геля, создавая более физиологически реалистичную 3D-капиллярную сеть. Эта платформа совместима с высококонтентной визуализацией и используется для скрининга ангиогенеза и метастатических экстравазационных анализов.

CN Bio Innovations PhysioMimix

Многоорганная система CN Bio PhysioMimix связывает до восьми тканевых чипов в циркулирующей жидкостной петле. Она была использована для изучения метаболизма лекарств и транспортировки по оси кишечника-сосудистой-печенья, захватывая системные эффекты, которые влияют на эндотелий.

Перспектива

Технологии «орган на чипе» для исследований сосудистой ткани перешли от доказательства концепции к растущему набору проверенных инструментов. Их способность перекачивать кровоток, механические силы и многоклеточные взаимодействия делает их незаменимыми для понимания сосудистой биологии и скрининга терапевтических кандидатов. По мере совершенствования методов изготовления, снижения затрат и расширения нормативного принятия эти чипы готовы стать стандартным компонентом доклинических исследований. Интеграция многоорганных систем еще больше расширит их мощность, позволяя изучать системные заболевания и распределение лекарств, которые традиционно требовали моделей на животных.

В ближайшее десятилетие мы можем ожидать увидеть сосудистые чипы, используемые в клинической диагностике — например, для определения риска лекарственной сосудистой токсичности у отдельного пациента перед назначением. Сближение чипов органов с персонализированными стволовыми клетками, редактирование генов и искусственный интеллект создадут новую парадигму для сосудистых исследований, более прогностической, более гуманной и более непосредственно транслируемой на здоровье человека.