Евгений Князев, заведующий лабораторией молекулярной физиологии факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ, в новом выпуске проекта LessON рассказывает о достижениях в очень молодой науке микрофлюидике.
Евгений Князев
Доцент Факультета биологии и биотехнологии/Базовая кафедра Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, заведующий лабораторией, Факультет биологии и биотехнологии/Лаборатория молекулярной физиологии.
Микрофлюидика описывает поведение микро- и нанообъемов жидкостей и газов в каналах размером несколько десятков микрон. Наука начала формироваться только во второй половине прошлого века, бурное развитие получила лишь в последние 10-20 лет. Дисциплина находится на стыке физики, химии и инженерных наук.
Что такое технология орган-на-чипе и какие проблемы она решает?
Орган-на-чипе — это инновационная биомедицинская технология, устройства размером с флешку, которые имитируют структуру и функции человеческих органов.
Эти устройства состоят из микроканалов и камер, заселенных живыми человеческими клетками, через которые протекает питательная среда, имитирующая кровоток. Главная особенность технологии — способность воспроизводить ключевые физиологические условия организма: контролируемый поток питательных сред и межклеточные взаимодействия в трёхмерном пространстве, а в ряде систем — также динамические процессы, такие как дыхательные движения, сердечные сокращения и перистальтика кишечника.
Благодаря высокой степени имитации человеческой физиологии, технология «орган-на-чипе» помогает решить несколько ключевых проблем проведения медицинских исследований.
Первая проблема связана с тем, что более 90% препаратов, успешно прошедших тестирование на животных, терпят неудачу в клинических испытаниях на людях из-за видовых различий.
Вторая проблема — это недостатки традиционных двухмерных клеточных культур. Когда клетки растут на плоской поверхности в большом объеме питательной среды, они не могут точно повторить трехмерную архитектуру тканей и сложные межклеточные взаимодействия.
И в-третьих, технология орган-на-чипе помогает решить проблему проведения опытов на животных и перейти к гуманным методам медицинских исследований.
Текущее применение органов-на-чипе в медицине
В данный момент времени технология орган-на-чипе еще не получила широкого распространения, и находится на стадии активного внедрения в клиническую практику.
Закон 2023 года о модернизации FDA официально разрешил использование альтернативных методологий для разработки лекарств. И в 2024 году FDA впервые приняло заявку на технологию печень-на-чипе в рамках программы ISTAND для оценки гепатотоксичности лекарств.
Прямым следствием такой поддержки регуляторов стал интерес к потенциалу данной технологии. Уже в 2024 году мировой рынок органов-на-чипе по разным источникам оценивается примерно
в 120-160 миллионов долларов США с прогнозируемым ростом до 1-4 миллиардов к 2030-2035 годам.
На сегодняшний день основными направлениями использования органов-на-чипе являются:
- доклинические исследования в фармацевтических компаниях;
- токсикологические испытания;
- академические исследования заболеваний;
- разработки в области персонализированной медицины.
Как работает технология и для каких целей используется
Органы-на-чипе функционируют на основе микрофлюидных платформ, которые обеспечивают точный контроль над микросредой, окружающей клетки. Как правило, устройства содержат микроскопические каналы шириной примерно в волос человека, по которым протекает питательная среда. Также в чипы могут включать пористые мембраны, разделяющие различные типы клеток и обеспечивающие межклеточное взаимодействие. Продвинутые чипы также включают различные датчики для отслеживания кислотности, уровня кислорода, глюкозы, молочной кислоты и других параметров в реальном времени.
Существует несколько основных типов чипов
1) Легкое-на-чипе.
Имитируя клеточную выстилку нашей дыхательной системы, легкое-на-чипе используется для изучения воздействия различных частиц и токсинов, моделирования легочных заболеваний, включая инфекционные, такие как бактериальная пневмония, грипп и COVID-19. Чипы фирмы Emulate даже имитируют растяжение и сжатие легких в процессе дыхания.
2) Печень-на-чипе.
Технология применяется для оценки гепатотоксичности, то есть опасности препаратов для печени, изучение метаболизма лекарств, моделирования заболеваний печени. Наша модель печени-на-чипе была использована для оценки метаболизма препарата феназепам и показала отличную сходимость с компьютерным предсказанием и результатами, полученными на пациентах.
3) Кишечник-на-чипе.
Данная технология позволяет оценивать всасывание питательных веществ и лекарственных средств, моделировать воспалительные заболевания (например, болезнь Крона и неспецифический язвенный колит), оценивать взаимодействие нашего организма с микробиотой, живущей в кишечнике. Командой под руководством декана факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ, академика РАН, профессора Александра Тоневицкого было показано, что кишечник-на-чипе гораздо больше похож на клетки в животной модели, чем на традиционные двухмерные клеточные культуры.
4) Плацента-на-чипе.
Эта технология относительно молодая среди других органов-на-чипе и позволяет моделировать транспорт питательных веществ и лекарств между матерью и плодом, изучать механизмы различных заболеваний и осложнений беременности. Команда НИУ ВШЭ успешно оценила с помощью плаценты-на-чипе транспорт химиотерапии против рака молочной железы у беременных, а также выясняет механизмы развития преэклампсии, грозного осложнения беременности.
5) Применение в персонализированной медицине.
Технология открывает новые возможности для персонализированной терапии. Использование клеток конкретного пациента позволяет создавать индивидуальных модели болезни, например, для подбора эффективной терапии рака, что делается и на факультете биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ.
ИИ и технология органов-на-чипе
Еще одно перспективное направление развития технологии – это интеграция искусственного интеллекта с органами-на-чипе.
Например, ИИ участвует в автоматизации и анализе данных исследований. ИИ обрабатывает большие массивы данных от датчиков в реальном времени, анализирует фотографии, автоматически управляет экспериментальными параметрами, оптимизирует условия культивирования клеток. Также ИИ предоставляет алгоритмы для предсказания токсичности лекарств и моделирует их взаимодействие с органами, ускоряет процесс скрининга препаратов и обнаружения новых биомаркеров болезней.
С помощью ИИ можно создавать автоматизированный дизайн геометрии чипов, оптимизировать архитектуру мультиорганных систем, интегрировать физиологические переменные в дизайн и стандартизировать критерии проектирования.
В итоге сочетание ИИ и органов-на-чипе обеспечивает повышение точности диагностики и прогнозирования, объективный анализ без человеческих предубеждений, ускорение исследований за счёт автоматизации.
Плюсы и минусы технологии
Безусловно, у технологии органов-на-чипе есть очевидные преимущества, включающие высокую предсказательную способность (они лучше соответствует реакциям человека, чем животные модели); возможность множественного тестирования (одновременная проверка различных типов и концентраций препаратов); воспроизведение микроокружения клеток (точная имитация условий человеческого организма); интеграция датчиков для отслеживания в реальном времени, создание градиентов лекарств.
Технология имеет экономические и этические преимущества: снижаются затраты и длительность исследований, сокращается использование животных, появляется возможность создания индивидуальных моделей заболевания под конкретного человека.
Но у технологии есть и недостатки и ограничения, которые еще предстоит преодолеть. Трехмерные клеточные модели все-таки менее сложны, чем реальный организм. Не полностью решена задача создания чипов, которые совмещали бы сразу несколько моделей органов, идет движение к созданию так называемого человека-на-чипе. Используемые в органах-на-чипе материалы — это компромисс между отсутствием токсичности, эластичностью и отсутствием адсорбции веществ, то есть потерей анализируемых лекарств на внутренних поверхностях устройств. Нет универсального материала, который бы максимально точно воспроизводил условия организма и при этом не делал технологию слишком сложной и дорогой.
Пока что мы ограничены в размерах моделей, они еще значительно меньше реальных органов из-за проблем в обеспечении потоков и диффузии веществ. Работа с органами на чипе сложнее, чем с классическими двухмерными культурами, что уменьшает пропускную способность, увеличивает время и стоимость и требует специальной подготовки персонала.
Сохраняются и проблемы стандартизации, отрасль только вступает в стадию активного внедрения и требуется разработка единых регуляторных норм и протоколов, по которым будет работать весь мир.
Форсайт: будущее технологии
Оценивая краткосрочные перспективы, в течение ближайших 5 лет ожидается более широкое регуляторное признание органов-на-чипе в мире, включая нашу страну, разработка стандартов качества и создание международных руководящих принципов использования. Проблемы материалов могут решиться благодаря подбору новых материалов и технологий, включая трехмерную биопечать.
Среднесрочные перспективы связаны с внедрением технологии в персонализированную медицину для подбора терапии для конкретного человека, включая лечение опухолей. Будут создаваться модели редких заболеваний, которые невозможно было изучить на животных. В модели будут включаться иммунные клетки для лучшего воспроизведения организма, продолжится движение к платформе «человек-на-чипе» и внедрение ИИ.
В долгосрочной перспективе можно надеяться на революцию в разработке лекарств, замену животных моделей, ускорение разработки лекарств с 10-15 до 5-7 лет, снижение стоимости разработки на 50-70%, трансформацию здравоохранения с новыми типами диагностики, регенеративной медициной для замещения тканей и органов человека, а также развитием профилактической медицины.
