Робот-курильщик поможет понять механизм вреда от курения

Курящего человека заменили небольшим электронным устройством.
Курящего человека заменили небольшим электронным устройством.

Исследователям, занимающимся проблемами курения, было сложно найти подходящую модель для экспериментов. Большинство животных дышат только носом, а результаты исследований с участием людей заметно отличаются. Но исследователи из Гарвардского университета (Harvard University) придумали, как решить эту проблему: они разработали курящего робота. Результаты работы опубликованы в журнале Cell Systems.

Устройство состоит из установки, похожей на барабан револьвера, в котором патроны заменили сигаретами, и небольшого аппарата искусственного дыхания, имитирующего вдох и выдох. Поступление воздуха отрегулировали таким образом, чтобы робот «затягивался» как среднестатистический курильщик. Дым попадает на небольшой чип, разделённый мембраной на две камеры. Верхняя — устлана клетками лёгочного эпителия, а в нижнюю поступают питательные вещества, необходимые для поддержания жизни клеток. Такие «органы на чипе» позволяют учёным воспроизводить работу не просто отдельных клеточных культур, но целых систем организма.

Начинка робота-курильщика.
Начинка робота-курильщика.

Учёные подвергли воздействию сигаретного дыма клетки здоровых добровольцев и людей, больных хронической обструктивной болезнью лёгких (ХОБЛ), а затем проанализировали экспрессию их генов. Они обнаружили, что курение приводит к изменениям работы 335 генов, в том числе, увеличивает экспрессию тех из них, что защищают от окислительного стресса. Эти данные совпадают с результатами предыдущих исследований на людях и подтверждают, что новое устройство может служить моделью человеческого лёгкого. Кроме того, эксперимент, посвящённый влиянию табачного дыма на людей с ХОБЛ показал, что в «больных» клетках, по сравнению со здоровыми, изменяется активность десяти генов.

Затем исследователи проанализировали работу ресничек (цилий) — тонких волосковидных структур на поверхности клеток. Они обеспечивают защиту и очищение лёгких от вредных веществ. Считается, что под влиянием сигаретного дыма цилии видоизменяются и перестают правильно функционировать — отсюда и характерный кашель курильщиков. Однако исследования на эту тему противоречат друг другу: одни говорят, что реснички начинают биться чаще, другие — что реже, а третьи и вовсе утверждают, что на их работу курение не влияет. Новое «лёгкое» расположено на чипе, а не спрятано вглубь организма, поэтому учёные смогли наблюдать, что происходит на самом деле, собственными глазами — с помощью видеомикроскопии. Оказалось, что дым действительно нарушает работу ресничек: их движения становятся менее скоординированными.

Наконец, исследователи проверили, можно ли использовать установку для изучения влияния электронных сигарет (ЭСДН). Они показали, что курение ЭСДН не вызывает нарушений в работе ресничек и не увеличивает экспрессию генов, защищающих от окислительного стресса. По результатам экспериментов учёные заключили, что новую установку можно использовать при проведении исследований и для испытаний лекарств. «Преимущество этой технологии в том, что она позволяет нам непосредственно изучать влияние стимула — в данном случае, дыма — на лёгкие, что можно рассматривать как доклинические испытания на людях. В рамках стандартных клинических исследований, когда одного, некурящего, человека сравнивают с другим, курящим, это сделать сложно, потому что у всех пациентов разное происхождение и биография, а кроме того, они подвергаются воздействию разных концентраций табачного дыма», — объясняет один из авторов работы, Дональд Ингбер (Donald Ingber).