Для того чтобы эффективно защищать людей от опасных болезней, а также для разработки контрмер против биологического, химического и радиоактивного оружия необходимы клинические испытания на человеческом организме. Но в большинстве случаев такие исследования невозможны по этическим соображениям.
В 2007 году группа исследователей из Технического университета Берлина (Technische Universität Berlin), работающая под руководством Уве Маркса (Uwe Marx), предложила идею создания так называемых микробиореакторов. Это небольшие устройства — чипы — в которых функционируют миниатюрные клеточные модели различных органов и тканей, связанные между собой сетью микроканалов, имитирующих кровеносные сосуды.
Вслед за немецкими коллегами эту идею стали довольно успешно развивать учёные из России (Научно-технический центр «БиоКлиникум»), Японии и некоторых других стран. Но особенно масштабное государственное и частное финансирование получают подобные разработки в США.
Например, при поддержке Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) команда исследователей из Института Висса Гарвардского университета работает с моделью «костного мозга на чипе» для изучения последствий радиоактивного излучения, а также испытаний экспериментальных лекарственных препаратов.
«Это неэтично — подвергать людей воздействию облучения для имитации последствий событий «Фукусимы», но мы должны быть готовы», — обосновывает актуальность микробиореакторов руководитель проекта Дональд Ингбер (Donald Ingber), который стоял у истоков развития технологии в США.
На последней конференции Американского микробиологического общества, посвящённой биозащите и новым заболеваниям, широко обсуждались достижения и перспективы миниатюрных моделей отдельных органов и их комбинаций на чипе. (Ранее мы рассказывали о подобных технологиях подробно).
Специалисты пришли к общему мнению, что эта технология в будущем, возможно, позволит имитировать физиологию человека лучше, чем традиционные лабораторные испытания на клеточных культурах или даже на модельных животных. Но пока о полной замене животных на биочипы речи не идёт. Для этого необходимы технологии создания очень широкого спектра клеточных моделей и их объединения в целый организм.
В настоящее время учёные сосредоточены на решении с помощью микробиореакторов конкретных узкоспециализированных задач, например, в области исследования опасных патогенов. Существует ряд вирусов, о механизмах действия которых практически ничего не известно. Проблема их изучение обусловлена особой опасностью таких вирусов для человека.
В нынешней ситуации крайне сложно разрабатывать новые действенные лекарственные препараты против патогенов такого рода, и уж тем более проводить их испытания. А заражение модели органов может позволить наблюдать за экспрессией генов и изменением в метаболизме в реальном времени.
Так, на прошедшей конференции была представлена работа микробиологов из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории по изучению процесса заражения клеток сибирской язвой. В качестве модели выступали клетки лёгкого кролика, размещённые, как и природный аналог, на границе раздела фаз между воздухом и биологической жидкостью. В этом исследовании было заинтересовано Министерство внутренней безопасности США. Перед учёными в частности была поставлена задача определения минимального количества спор сибирской язвы, необходимого для вызова заболевания у человека.
Агентство по охране окружающей среды США планирует объявить в следующем месяце программу с бюджетом $18 миллионов, целью которой станет объединение в одной системе «печени на чипе» с моделями плодных оболочек, молочных желёз и развивающихся конечностей. Основной целью этого проекта станет изучение влияния загрязнителей окружающей среды, таких как диоксин и бисфенол А, на метаболизм в этих органах.
Если вспомнить об оружии массового уничтожения, то клеточные модели успешно проявили себя в исследованиях команды учёных из Университета Вандербильда (Теннесси). Физиолог Джон Уиксво (John Wikswo) и его коллеги смогли по особенностям метаболизма в клеточной модели различить такие яды, как рицин и ботулотоксин.
В сентябре 2011 года Барак Обама объявил о запуске программы по разработке новых технологий для тестирования лекарственных средств, которые будут быстрее и эффективнее существующих методов. Для решения этой задачи в декабре 2011-го был создан новый научно-исследовательский институт — National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS). В частности, среди приоритетных задач института стоит разработка проекта «человек-на-чипе» и трудятся над разными его вариантами 11 групп учёных.
Доктор Уиксво шутливо называет такую систему Homo chippiens. Выражая общее мнение, учёный отмечает, что при всём размахе исследований в США, моделирование человеческого тела на чипе будет провести нелегко. Среди массы других задач специалистам предстоит решить проблему полноценной имитации крови, которая должна достигать многочисленные модели органов в правильном порядке, в нужном количестве и нести необходимые питательные вещества для каждой из них.
Автор: Дарья Загорская