Проектирование систем «орган на чипе» для моделирования заболеваний и тестовой терапии

Введение: следующий рубеж в биомедицинском моделировании

Технология «Орган на чипе» (ООФ) является одним из самых преобразующих достижений в современной биомедицинской инженерии. Воссоздавая микросреды человеческих органов на небольшой микрофлюидной платформе, эти устройства предлагают исследователям беспрецедентное понимание механизмов заболевания и терапевтических реакций. В отличие от традиционных двумерных клеточных культур, которые не имеют физиологической значимости, или моделей животных, которые часто не могут предсказать результаты человека, системы «Орган на чипе» обеспечивают контролируемую, относящуюся к человеку среду для изучения биологии на уровне тканей и органов. В этой статье исследуются принципы проектирования, приложения моделирования заболеваний и возможности терапевтического тестирования систем «Орган на чипе», подчеркивая их потенциал для изменения разработки лекарств и персонализированной медицины.

Что такое системы Organ-on-a-Chip?

Орган на чипе представляет собой микромасштабное устройство культивирования клеток, имитирующее ключевые функциональные единицы человеческого органа. Как правило, изготовленные с использованием методов мягкой литографии, эти чипы содержат микроканалы, выстланные живыми клетками человека, которые непрерывно пронизывают культуральную среду для имитации кровотока. Архитектура чипа может включать в себя несколько типов клеток, внеклеточные матричные (ECM) компоненты и механические силы, такие как циклическое растяжение или сдвиговое напряжение, воспроизводя динамическую микросреду, найденную in vivo.

Концепция возникла из конвергенции микрофлюидики, тканевой инженерии и клеточной биологии. Ранние устройства были сосредоточены на моделях легких и печени, но область быстро расширилась, включив в себя сердце, почки, кишечник, мозг и даже многоорганные платформы (тело на чипе). Основное ценностное предложение просто: если вы можете имитировать функцию органа в блюде, вы можете предсказать, как он будет реагировать на лекарства, токсины или генетические возмущения гораздо точнее, чем с помощью обычных методов.

Принципы проектирования систем Organ-on-a-Chip

Выбор ячеек и поиск

Основой любого органа на чипе являются сами клетки. Первичные клетки человека, полученные из биопсий или хирургических образцов, являются золотым стандартом, поскольку они сохраняют нативные фенотипы. Однако первичные клетки имеют ограниченную пролиферационную способность и могут быть труднодоступными. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) предлагают масштабируемую альтернативу: они могут быть дифференцированы практически в любой тип клеток и идеально подходят для персонализированных медицинских применений. Бессмертные клеточные линии иногда используются для доказательство концептуальных исследований, но их генетический дрейф и потеря специфических для органа функций ограничивают их предиктивную силу.

Микроархитектура и 3D микросреда

Имитирующая тканевую архитектуру требует больше, чем просто монослойные клетки. Конструкции орган-на-чипе часто включают пористые мембраны, гидрогелевые каркасы или микроструктуры для создания многослойных структур. Например, в легком-на-чипе используется тонкая, растягиваемая мембрана, выстланная легочными эпителиальными клетками с одной стороны и капиллярными эндотелиальными клетками с другой, разделенная микрофлюидным каналом, который имитирует воздух и кровоток. Эта 3D-конфигурация повторяет барьер воздушной крови и позволяет изучать газообмен, инфекцию и поглощение лекарств.

Микрофлюидики и перфузия

Микрофлюидные каналы (обычно 50-500 микрометров в ширину) обеспечивают непрерывную перфузию питательных веществ, кислорода и тестовых соединений при удалении метаболических отходов. Скорость потока может точно контролироваться, чтобы имитировать физиологический сдвиг напряжения (например, 0,5-20 дина / см2 для кровеносных сосудов). Эта динамическая среда имеет решающее значение, потому что статические условия культуры часто приводят к гипоксии, истощению питательных веществ и накоплению токсичных побочных продуктов, которые искажают клеточные реакции. Передовые чипы включают пневматические клапаны или перистальтические насосы для автоматизированной, долгосрочной культуры.

Механические струи

Многие органы испытывают механические силы, которые влияют на поведение клеток. Легкое на чипе включает в себя циклический механизм растяжения (с использованием вакуумных каналов) для имитации движений дыхания. Устройства Heart-on-a-chip могут применять электрическую скорость для индуцирования моделей сокращения, в то время как кишечное на чипе использует перистальтическую деформацию для усиления барьерной функции и микробных взаимодействий. Эти механические сигналы не являются дополнительными; они необходимы для клеток для поддержания дифференцированных фенотипов и реалистично реагировать на стимулы.

Материалы и методы изготовления

Наиболее распространенным материалом для изготовления орган-на-чипе является полидиметилсилоксан (PDMS), оптически чистый, газопроницаемый, биосовместимый эластомер. PDMS может быть отлита из кремниевых форм для создания сложных микроканальных геометрий. Однако поглощение PDMS небольших гидрофобных молекул может исказить фармакокинетические исследования, что приводит к исследованию альтернативных термопластов (например, полистирола, поликарбоната) и 3D-печатных смол. Стеклянные чипы предлагают низкое поглощение, но более сложны для связи и менее проницаемы для газа.

Изготовление обычно включает в себя фотолитографию для создания основной формы, за которой следует формование реплик PDMS. Более продвинутые методы включают лазерную абляцию, микромиллинг и биопечать для включения живых клеток непосредственно в чип (биопечатные органы на чипах). Выбор материала и метод изготовления влияет на стоимость чипа, масштабируемость и совместимость с аналитическими инструментами, такими как масс-спектрометрия или микроскопия.

Моделирование болезни с помощью Organ-on-a-Chip

Моделирование заболеваний с использованием систем ООК включает в себя введение патологических стимулов, таких как генетические мутации, воспалительные цитокины, патогены или токсичные соединения, в среду чипа и наблюдение за результирующими клеточными и тканевыми реакциями. Поскольку чипы повторяют функции на уровне органов, они могут выявить механизмы заболевания, которые невидимы в простых клеточных культурах.

Метастаз рака на чипе

Исследователи разработали чипы, моделирующие процесс инвазии и метастазирования раковых клеток. Типичная конструкция включает в себя отсек для первичных опухолевых клеток, микроканал, представляющий собой кровеносный или лимфатический сосуд, и дистальный органный отсек. Определяя количество клеток, которые мигрируют, экстравазируют и колонизируют вторичный участок, ученые могут тестировать антиметастатические препараты и изучать роль градиентов хемокина, матричного ремоделирования и взаимодействия иммунных клеток.

Модели нейродегенеративных заболеваний

Чипы гематоэнцефалического барьера (BBB) объединяют эндотелиальные клетки мозга, перициты и астроциты для создания функционального барьера. При воздействии бета-амилоида агрегатов от пациентов с болезнью Альцгеймера эти чипы демонстрируют нарушение барьера и нейровоспаление, обеспечивая платформу для скрининга лекарств, которые защищают BBB. Аналогичным образом, мозг на чипе с корковыми органоидами может моделировать распространение тау и синаптическую дисфункцию.

Инфекционные заболевания и хозяин-патогенные взаимодействия

Органные чипы были развернуты для изучения инфекций, таких как грипп (легкие на чипе), кишечные патогены (кишечные на чипе) и гепатит B (печень на чипе). Способность чипа вводить иммунные клетки и поток позволяет реалистично реагировать на иммунные реакции. Во время пандемии COVID-19 чипы легких использовались для понимания динамики инфекции SARS-CoV-2, тестирования противовирусных препаратов и оценки иммунной защиты, вызванной вакциной.

Примеры моделей болезней

Сердечное заболевание

Платформы Heart-on-a-chip используют кардиомиоциты, полученные из iPSCs, часто от пациентов с генетическими формами расширенной кардиомиопатии или синдромом длинного QT. Применяя электрическую скорость и измеряя сократительную силу (с использованием консольных рычагов, микроскопии силы тяги или импеданса), исследователи могут количественно оценить фенотипы аритмии и вызванную лекарственными препаратами кардиотоксичность. Чипы использовались для изучения доксорубицин-индуцированной сердечной недостаточности и теста кардиопротекторных агентов.

Болезнь легких

Чипы легких были спроектированы для моделирования астмы путем воздействия эпителиального слоя на аллергены или интерлейкины, что приводит к сокращению дыхательных путей, визуализируемому как деформация канала. Модели легочного фиброза включают лечение блеомицином, что приводит к накоплению коллагена и активированных фибробластов. Эти платформы ценны для тестирования антифиброзных препаратов и методов лечения, направленных на эпителиально-мезенхимальный переход.

Болезнь почек

Проксимальные чипы трубочек, выложенные почечными эпителиальными клетками, могут моделировать нефротоксичность, вызванную такими препаратами, как цисплатин или гентамицин. Исследователи измеряют маркеры повреждения, такие как KIM-1 и нейтрофил желатиназа-ассоциированный липокалин (NGAL) в среде оттока. Поликистозная болезнь почек моделируется с использованием чипов трубочек, которые образуют кисты под потоком жидкости, что позволяет тестировать препараты, которые ингибируют рост кисты.

Болезнь кишечника

Микробы интестина включают кишечные эпителиальные клетки (Caco-2 или органоидные) и иммунные клетки, поддерживаемые перистальтическим потоком и низким напряжением кислорода. Модели воспалительных заболеваний кишечника создаются путем добавления липополисахарида (LPS) или фекальной микробиоты от пациентов. Кокультуры на основе чипов с анаэробными бактериями показали, как кишечные микробы модулируют барьерную функцию и метаболизм лекарств.

Тестирование терапии с использованием Organ-on-a-Chip

Наиболее убедительное коммерческое применение технологии ООК находится в разработке лекарств, где она обещает снизить риск кандидатов до клинических испытаний. Типичный рабочий процесс начинается с посева чипа с клетками, полученными от пациента (или генерическими клетками, полученными из iPSC), а затем подвергает устройство тестируемому соединению в градиенте концентрации. Высокосоставная визуализация, автоматизированный отбор проб и интегрированные биосенсоры захватывают ответы в реальном времени: жизнеспособность клеток, целостность барьера, секреция цитокинов, метаболизм и электрическая активность.

Фармакокинетика и токсичность

Мультиорганные чипы (печень, почка, сердце и легкие), связанные через микрофлюидные каналы, позволяют исследователям изучать, как препарат метаболизируется в печени, выводится почкой и накапливается в сердце - все в одной системе. Это обеспечивает соответствующую человеку модель для прогнозирования лекарственной травмы печени (DILI) и кардиотоксичности, которые являются ведущими причинами истощения клинических испытаний. Например, чип печени-почки может обнаруживать нефротоксичные метаболиты, генерируемые печеночным метаболизмом.

Эффективность и биомаркер Discovery

Помимо токсичности, системы ООК могут измерять эффективность лекарств. Например, модель опухоли на чипе может использоваться для тестирования комбинаций химиотерапии и измерения усадки опухоли, инвазии и апоптоза. Путем отбора проб среды эффлюкса исследователи могут обнаружить секретируемые биомаркеры (белки, экзосомы, метаболиты), которые коррелируют с реакцией на лекарства, потенциально приводя к новым диагностическим тестам.

Преимущества для развития наркотиков

Предсказательная сила

Исследования, сравнивающие данные ООК с клиническими результатами, показывают, что эти устройства могут прогнозировать реакции человека с точностью >70% по сравнению с ~50% для моделей на животных. Например, в легком на чипе правильно идентифицировано отсутствие токсичности препарата силикоза, который показал ложные срабатывания у грызунов. Эта предсказательная сила проистекает из использования клеток человека и повторного использования физиологических потоков и сил.

Сокращение затрат и времени

Средняя стоимость разработки нового препарата превышает 2 миллиарда долларов, причем более 10 лет от открытия до утверждения. Системы ООК могут снизить это, позволив ранее выявлять проблемы безопасности и предоставляя человеческую платформу для исследований механизма действия, тем самым уменьшая количество экспериментов на животных и неудачных испытаний на поздних стадиях. Такие компании, как Emulate, Mimetas и TissUse, уже продают коммерческие чипы для рутинного токсикологического скрининга.

Персонализированная медицина

Полученные пациентом ИПСК или биопсийные клетки можно поместить на чип для создания «клинического испытания в блюде». Это позволяет врачам тестировать несколько препаратов на собственных клетках пациента перед назначением, выявлением наиболее эффективной терапии и избеганием побочных реакций. Например, для оценки лекарственных реакций на модуляторы CFTR использовались специфичные для пациента кистозные фиброзы, коррелирующие с клиническими исходами.

Интеграция с датчиками и автоматизацией

Для максимизации пропускной способности и качества данных современные системы орган-на-чипе все чаще включают встроенные датчики. Электрохимические датчики могут измерять pH, кислород, глюкозу и лактат в режиме реального времени. Импедансная спектроскопия контролирует целостность барьера (например, TEER для гематоэнцефалического барьера). Микроэлектродные массивы (MEA) регистрируют электрическую активность сердечных или нервных тканей. Оптическая прозрачность позволяет визуализировать живые клетки с помощью конфокальной микроскопии.

Автоматизированные платформы, интегрирующие культуру чипов, обработку жидкостей и сбор данных, теперь доступны, параллельно работают до 96 чипов. Эта масштабируемость необходима для скрининга библиотек лекарств. Алгоритмы машинного обучения анализируют высокоразмерные данные (изображения, сигналы датчиков, метаболомика) для выявления сигнатуры болезненного состояния и лекарственного эффекта, ускоряя интерпретацию.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои обещания, технология орган-на-чипе сталкивается с несколькими препятствиями. Стандартизация остается серьезной проблемой: разные лаборатории используют разные источники клеток, конструкции чипов и протоколы, что затрудняет сравнение результатов. Регуляторное принятие такими агентствами, как FDA, требует проверенных, воспроизводимых анализов. Пропускная способность по-прежнему ниже требований высокопроизводительного скрининга (миллионы соединений), хотя инновации, такие как капельно инкапсулированные органоиды-на-чипах, могут преодолеть разрыв.

Васкулирование более толстых тканей остаётся проблемой. В то время как чипы с микроканалами могут имитировать капилляры, создание перфузионной сосудистой сети в 3D-ткане сложно. Исследователи изучают 3D-биопечать и жертвенное формование для создания предварительно сформированных сосудистых каналов. Долгосрочная культура (недели до месяцев) необходима для моделирования хронических заболеваний, но поддержание стерильности и устойчивой функции клеток затруднено.

Стоимость и экспертиза также ограничивают принятие: коммерческие чипы могут стоить от 50 до 200 долларов за устройство, а работа требует специализированного оборудования и обучения.Однако, по мере того, как масштабы производства и автоматизация становятся автоматизированными, ожидается снижение затрат.

Будущие направления

В следующем десятилетии технология орган-на-чипе, вероятно, перейдет от академических исследований к широкому промышленному и клиническому использованию.

Заключение

Технология «орган на чипе» превратилась из любопытства микрофабрикации в мощный инструмент для биомедицинских исследований. Его способность имитировать функцию человеческих органов в контролируемом, масштабируемом формате предлагает мост между традиционной культурой клеток и моделями животных, с потенциалом для ускорения разработки лекарств, снижения затрат и персонализации лечения. В то время как проблемы остаются в стандартизации, васкуляризации и пропускной способности, текущие достижения в биологии стволовых клеток, микрофлюидике и автоматизации быстро преодолевают эти барьеры. По мере созревания области системы «орган на чипе» готовы стать незаменимой платформой для понимания болезней и разработки методов лечения завтрашнего дня.

Для дальнейшего чтения изучите ресурсы Национального центра биотехнологической информации по обзорам «орган на чипе» и инициативу Института науки Вейцмана «орган на чипе» для передовых исследовательских примеров.