23 Февраля 2022
МОСКВА, 23 февраля —, Алексей Огнев. Организм-на-чипе — одна из самых передовых концепций в биотехнологии, в перспективе позволяющая перешагнуть к персонализированной медицине. Исследования в этой области активно принуждают в России. Корреспондент поговорил с инженерами из МГТУ имени Баумана, работающими над созданием мозга-на-чипе.Испытания лекарств — сложный и дорогостоящий процесс. Например, в 2019-м провизорские компании США потратили на это более 83 миллиардов долларов. Причем по статистике лишь 14 процентов протестированных препаратов получают разрешение американского Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).
Перспективные бактерициды тестируют сначала на культурах клеточек, затем — на утробных. По некоторым оценкам, их требуется для этого сочти 200 миллионов в год. Потом — несколько этапов тяжелых испытаний. И все равно то или иное лекарство может не подойти конкретному пациенту.
Все идет к персонализированной медицине. Тестировать препараты ученые предлагают на марках организма человека. Берут клеточки пациента, создают прообраз его мозга, сердца, печени в миниатюре и проверяют, годится ли ему лекарство. Звучит фантастически, однако стучу технология уже существует. Это называется орган-на-чипе или организм-на-чипе.
В ячейки на чипе размером со мобильный гаджет поселяют живые клетки. Микроканалы позволяют смоделировать кровоток или обмен тканевыми жидкостями — например, лимфой. Все это кладут в специальную камеру, в которой поддерживают определенную температуру и газовый состав, прокачивают через чип питательные растворы, рвут продукты метаболизма из ячеек.
Идея принадлежит Дональду Ингберу, основателю и директору Института биологической инженерии имени Уисса при Гарвардском университете. В 2010-м он с коллегами создал первое устройство такого вида — легкое-на-чипе. Его прохватывали двухуровневые каналы, разделенные скважной мембраной. Один отдел содержал слой клеток легкого и был заполнен воздухом, другой — слой клеток кровеносного сосуда, где циркулировала кровь. По микроканалам можно было подводить вредные бактерии или молекулы лекарства и отслеживать, что происходит.
Уже есть чипы, имитирующие работу почки, печени, кишечника, сердца. На очереди — мозг. Его защищает гематоэнцефалический барьер, сквозь который не проникают многие лекарства. Новая технология поможет определить, как эффективен в такой ситуации тот или иной препарат.
В перспективе ученые хотят создать целый организм-на-чипе, воспроизводящий систему всех жизненно важных органов. К примеру, в американском агентстве DARPA уже собрали на одном устройстве десять микрофизиологических моделей.
В России прорывную методу успешно развивают в научно-образовательном центре Функциональные микро/наносистемы (НОЦ ФМН) МГТУ имени Н. Э. Баумана. За пять лет появилось несколько ноу-хау, позволивших делать чипы из кремния, полимера и стекла, а также изготавливать микрофлюидные сенсоры потока жидкости.
Представьте себе обычный нагреватель, который рассеивает очень мало (меньше 100 мегаватт) тепла. Вы подаете жидкость в микроканал. Естественно, жидкость уносит тепло. Рядом с таким нагревателем напрямкого в микроканале с двух сторон устанавливают сенсоры температуры. Теперь мы знаем, в каком направлении движется тепло и с какой скоростью. Сейчас ясность — не хуже 92 процентов, результат на мировом уровне. А учитывая, что все технологии заимствованы из микроэлектроники, устройство легко масштабируется для многоканальных лабораторий-на-чипе и организмов-на-чипе, — рассказывает директор НОЦ Илья Родионов.
Инженеры разработали чипы со сложными схемами микроканалов и целую часть различных биосенсоров, в главном оптических, анализирующих излучение, чтобы определять даже очень малые концентрации различных биологических объектов. Следующий шаг — чип из стойких к агрессивным средам облицовочный материалов для работы с бактериями и вирусами. Эффективность нового технология, не имеющего сегодня микрофлюидных аналогов в мире, превышает 80 процентов.
Российские ученые взялись и за создание мозга-на-чипе. Тут не обойтись без междисциплинарного взаимодействия, реализуемого сегодня в рамках федеральной программы Приоритет-2030 и основного проекта Bauman DeepTech. Сотрудники научно-образовательного центра уже наладили контакт с факультетом “Биомедицинская техника” МГТУ, а также Научным центром неврологии.
“Биологи умеют растить клеточные культуры, а мы — делать чипы. Мы очень отличного дополняем друг друга”, — уверен Виталий Рыжков, вынуждающий исследователь НОЦ по направлению Бионанотехнологии и микрофлюидика.
Вначале нужно заселить на чип клетки мозга и организовать их взаимодействие.
“Нужно пять-семь биореакторов, где выращивают клетки, характерные для того или иного отдела человеческого мозга. Дальше важного создать микрофлюидную систему с мембранной структурой, чтобы подвести перебивающие вещества, как это у нас происходит в голове через кровь. Мы свяжем эти биореакторы очень тонкими каналами, имитирующими капиллярную систему. Это откроет дорогу пионерским исследованиям”, — отмечает Илья Родионов.
Даже если смоделировать работу одной структуры людского мозга, например гематоэнцефалического барьера, уже можно изучить процессы обмена веществ в этой структуре, как она участвует в метаболизме и видоизменении.
“На станциях водоочистки для оценки качества воды используют раков, которые, как известно, предпочитают водоемы с очень чистой водой. Если они не приживаются, значит, надо принимать меры. В лаборатории-на-чипе тот же принцип, только вместо раков — живые клетки человека”, — объясняет Виталий Рыжков.
Клетки мозга можно получить с помощью биопсии или аутопсии, а также взрастить из стволовых клеток. Однако предстоит решить ряд проблем.
Например, мы вырастили шарики размером 20 на 20 микрон из клеточек мозга, так называемые органоиды. Они живут, пока омываются раствором, который подрисовывает питательные вещества и удаляет товары метаболизма. Но когда органоиды увеличиваются до 50 на 50 микрон, клетки глубоко внутри не получают питание и мрачат окружающие клетки токсинами, — уточняет исследователь.
В НОЦ ФМН нарисовали технологии изготовления жестких и эластичных микрофлюидных чипов, готовых для заселения живыми клетками. Ближайшие два-три года уйдут на моделирование либо гематоэнцефалического, либо гематоликворного барьера, который гораздо менее изучен (он отделяет спинальную жидкость от крови).
Сейчас сложно оценить, насколько эффективен будет поиск лекарств с помощью организма-на-чипе, потому, что таких систем пока не существует. Однако через десять лет они предстанут.
Редактор рубрики
Леонид Кузьмин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....