Орган-на-чипе

Введение:

Разработка новых лекарственных препаратов — это сложный и многоэтапный процесс, требующий значительных временных и финансовых затрат. Для того чтобы вещество-кандидат стало лекарственным препаратом ему нужно пройти тернистый путь от лаборатории до пациента. Одной из основных причин непрохождения веществами-кандидатами этапов клинических исследований является ограниченная предсказательная способность традиционных доклинических моделей. Классические методы, такие как двумерные клеточные культуры и эксперименты на лабораторных животных, не всегда точно воспроизводят физиологические процессы человека, что приводит к неожиданным результатам на этапе клинических испытаний. С целью снижения рисков непрохождения препаратом этапов клинических исследований и в силу этических соображений ученые разработали микрофлюидную технологию «орган-на-чипе» (рис. 1). «Орган-на-чипе» представляет собой прозрачную пластину с нанесёнными микрофлюидными каналами и ячейками. В ячейки помещают трёхмерные клеточные культуры определённого органа, а через каналы подают питательные среды, необходимые для их жизнедеятельности.  Пластина оборудована датчиками, позволяющими отслеживать состояние клеточной системы в режиме реального времени [1].  Что такое микрофлюидика? Микрофлюидика— это наука, изучающая поведения малых объемов и потоков жидкостей при их нахождении (движении) в микроразмерных пространствах. Микрофлюидные каналы воспроизводят движение крови, лимфы или других биологических жидкостей. Благодаря этому в технологии «орган-на-чипе» воспроизводится перфузия, которая необходима для нормального функционирования клеток.

 Особенности клеточных культур в «орган-на-чипе»

Почему в «орган-на-чипе» используют 3D, а не 2D клеточные культуры? Двухмерные культуры клеток представляют из себя клетки, образующие монослой по плоской поверхности чашки Петри, что приводит к неестественной морфологии. В свою очередь 3D-клеточные культуры растут во всех направлениях, сохраняя естественную архитектуру, аналогичную клеткам in vivo (рис. 2). В таблице 1 представлены преимущества 2D и 3D изолированных клеточных культур.

Переход от 2D к 3D клеточным моделям необходим из-за недостаточной информативности двумерных клеток при исследовании различных эффектов [4].  В чем недостатки проведения исследований на изолированных 3D клетках? В 3D-культурах часто отсутствует полноценная васкуляризация и межклеточные взаимодействия, характерные для настоящих органов.

Регуляторные аспекты  

Как регулирующие органы (FDA и Минздрав России) относятся к данным, полученным с помощью технологии «орган-на-чипе»? Есть ли уже утвержденные протоколы?  В Минздраве России об «орган-на-чипе» информация отсутствует. В FDA в 2022 году вступил в силу ‘FDA Modernization Act 2.0’, разрешающий использование микрофизиологических систем (включая «орган-на-чипе») в доклинических исследованиях [5]. В 2025 году FDA опубликовало roadmap по сокращению испытаний на животных, где «орган-на-чипе» назван приоритетной технологией [6]. Реакция исполнительного директора Emulate, Джима Корбетта: «Внедряя «орган-на-чипе» и другие инновационные методы, основанные на человеке, FDA одновременно повышает безопасность пациентов, ускоряет предоставление новых методов лечения и сокращает использование животных. Мы считаем, что это начало новой парадигмы, которая принесет пользу пациентам, исследователям и всей экосистеме здравоохранения» [7].  Стартап Emulate был основан в 2012 году, что дало колоссальный толчок в развитии технологии «орган-на-чипе». В 2018 году компания привлекала инвестиции размером в 36 млн. долларов от компании Founders Fund. Founders Fund — ведущая венчурная компания, партнеры которой основали и финансировали такие компании, как Facebook и SpaceX. Сегодня одним из ведущих сотрудников компании Emulate является Дональд Ингбер.

Примеры технологии «орган-на-чипе»

«Легкое на чипе»

Ингбер с коллегами в 2010 году создали первую микрофлюидную систему, которая представляла собой микроокружение легких, разделенное на области, как показано на рисунке 3. Верхняя область содержала альвеолярные клетки, а нижняя — легочные. Это имитировало альвеолярно-капиллярный барьер. Система работала в вакууме для моделирования расширения и сжатия альвеол во время дыхания. Воспалительные агенты также вводились в систему в виде нейтрофилов через жидкостные каналы [8].

«Печень-на-чипе»

Первую микрофлюидную систему печени разработал Филип Ли с его коллегами. Она состояла из клеток печени крысы и фибробластов мыши. Гепатоциты крыс культивировались в чипе, стабильно синтезируя и метаболизируя альбумин. Чип имитировал интерстициальное пространство между эндотелиальными клетками печени и гепатоцитами, как показано на рисунке 4, открывая новые возможности для исследований обмена веществ [9].

«Кишечник-на-чипе»

Тонкая кишка выстлана ворсинками, которые отвечают за всасывание питательных веществ. Ингбер и его коллеги создали кишечник на чипе, построив камерный бислой, разделенный пористой мембраной, выстланной клетками эпителия кишечника, как показано на рисунке 5. Лекарственные препараты вводились в донную камеру для анализа адсорбции и состояния клеток при всасывании. Две вакуумные камеры по обе стороны от клеточного бислоя имитировали перистальтику кишечника [10].

Человеческий организм является довольно сложной системой и нельзя точно судить о свойствах лекарственного препарата, не рассмотрев весь его путь, от поступления до выведения из организма, в котором как правило задействовано несколько органов.

В связи с этим Кейси Рональдсон-Бушар вместе с коллегами создали «тело-на-чипе» состоящее из тканей кожи, печени, сердца и костей на чипе, соединенные микрофлюидными каналами, имитирующими сосудистую сеть. Взаимосвязанные ткани сохраняли свои свойства в течение 4 недель культивирования, повторяли фармакокинетические[1] и фармакодинамические[2] параметры доксорубицина у человека. [11, 12]. 

 «Орган-на-чипе» в России

В Сибирском государственном медицинском университет разрабатывается модель вторичного опухолевого узла (метастаза) печени для испытаний противоопухолевых препаратов [13]. 

В Сеченовском университете в 2024 году был создан прототип «кожи-на-чипе» с естественной микрофлорой для изучения механизмов развития дерматологических заболеваний, тестирования лекарственных препаратов [14].

В Московском физико-техническом институте разрабатывают литограф для создания микроструктур и каркасов для выращивания искусственных органов с высоким разрешением, что улучшит качество биопечати и выращивания тканей. «В апреле 2025 года пройдут государственные приемочные межведомственные испытания, по результатам которых будет принято решение о приемке прибора. Ожидается, что разработка завершится в августе 2025 года, после чего литограф уйдет в широкое производство.», – пишут Известия [15].

Перспективы и финансовые выгоды

Использование технологии «орган-на-чипе» является экономически более выгодным по сравнению с животными моделями.

При скрининге 35 липидных наночастиц использование печени-на-чипе от компании Emulate обошлось в 325 тыс. долларов за 18 месяцев, тогда как аналогичные исследования на приматах потребовали бы 5 млн. долларов и 60 месяцев [16].

Согласно маркетинговому анализу, проведенному Polaris market research спрос на микрофлюидные технологии «орган-на-чипе» будет с каждым годом увеличиваться примерно 34,3% и к 2032 году, по прогнозам, объем мирового рынка будет составлять 1388 млн долларов, на начало 2024 года – 131 млн. долларов [17].

Заключение

Технология “орган-на-чипе” представляет собой революционный прорыв в фармацевтической и медицинской науках. Она позволяет преодолеть ключевые ограничения традиционных методов доклинических исследований, таких как двумерные клеточные культуры и испытания на животных, обеспечивая более точное моделирование физиологических процессов, протекающих в организме человека. Благодаря использованию трехмерных клеточных культур и микрофлюидных систем, эта технология воспроизводит межклеточные взаимодействия и перфузию, что значительно повышает достоверность результатов.  Применение органов-на-чипе уже демонстрирует впечатляющие результаты в исследованиях легких, печени, кишечника и других органов, а также в создании комплексных систем, например, «тело-на-чипе». Это открывает новые возможности для изучения фармакокинетики и фармакодинамики лекарственных препаратов, сокращая время и стоимость разработки. Регулирующие органы, такие как FDA, активно поддерживают внедрение этих технологий, что подчеркивает их потенциал для будущего медицины. С учетом экономической эффективности и этических преимуществ, технология “орган-на-чипе” обещает стать стандартом в доклинических исследованиях, способствуя ускоренному появлению безопасных и эффективных лекарственных препаратов на рынке.

[1] Фармакокинетика — раздел фармакологии, изучающий процессы, происходящие с фармакологически активными веществами в организме (как тело человека действует на лекарство).

[2] Фармакодинамика – раздел фармакологии, изучающий биохимические и физиологические эффекты фармакологически активных веществ, механизмы, а также локализацию их действия (как лекарство действует на тело человека).

Список литературы:

1.     Халимова А.А., Коваленко А.В., Парамонов Г.В. «органы-на-чипе»: оценка перспектив использования в фармацевтической отрасли, 2022 Doi: http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2022-24-5-81-87

2.     https://wyss.harvard.edu/technology/human-organs-on-chips/;

3.     https://www.upmbiomedicals.com/resource-center/learning-center/what-is-3d-cell-culture/2d-versus-3d-cell-culture/;

4.     Согомонян Анна Самвеловна, Шипунова Виктория Олеговна, Соловьев Владислав Денисович, Ларионов Владислав Игоревич, Котельникова Полина Александровна, Деев Сергей Михайлович метод получения трехмерных клеточных сфероидов: универсальный инструмент для изучения цитотоксических свойств противоопухолевых соединений in vitro // Acta Naturae (русскоязычная версия). 2022 DOI: 10.32607/actanaturae.11603;

5.     https://www.react4life.com/the-fda-modernization-act-2-0/;

6.      https://www.fda.gov/media/186092/download;

7.     https://emulatebio.com/press/emulate-applauds-fdas-roadmap-to-reduce-animal-testing-and-embrace-organ-chip-technologies/;

8.     Huh D., Matthews B.D., Mammoto A., Montoya-Zavala M., Hsin H.Y., Ingber D.E. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010;328(5986):1662–8. DOI: 10.1126/science.1188302;

9.     Lee P.J., Hung P.J., Lee L.P. An artificial liver sinusoid with a microfluidic endothelial-like barrier for primary hepatocyte culture. Biotechnol. Bioeng. 2007;97:1340–1346. doi: 10.1002/bit.21360;

10.  Kim H.J., Huh D., Hamilton G., Ingber D.E. Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow. Lab Chip. 2012;12:2165–2174. doi: 10.1039/c2lc40074j;

11.  Ronaldson-Bouchard K, Teles D, Yeager K, Tavakol DN, Zhao Y, Chramiec A, Tagore S, Summers M, Stylianos S, Tamargo M, Lee BM, Halligan SP, Abaci EH, Guo Z, Jacków J, Pappalardo A, Shih J, Soni RK, Sonar S, German C, Christiano AM, Califano A, Hirschi KK, Chen CS, Przekwas A, Vunjak-Novakovic G. A multi-organ chip with matured tissue niches linked by vascular flow. Nat Biomed Eng. 2022;

12.  Li ZA, Tuan RS. Towards establishing human body-on-a-chip systems. Stem Cell Res Ther. 2022;

13.  https://nauka.tass.ru/nauka/22455865?ysclid=mab68ad1wr213229946&utm_source=yandex.ru&utm_medium=organic&utm_campaign=yandex.ru&utm_referrer=yandex.ru;

14.  https://www.sechenov.ru/pressroom/news/v-sechenovskom-universitete-razrabotali-prototip-kozhi-na-chipe-s-estestvennym-mikrobiomom-/;

15.  https://iz.ru/1869404/denis-gritcenko/nanopechat-intellekta-novyj-litograf-pomozhet-sozdat-iskusstvennye-organy;

16.  https://emulatebio.com/organ-chips-vs-nhps-cost-calculator/;

17.  https://www.polarismarketresearch.com/press-releases/organ-on-chip-market.