У людей, проводящих восемь и более часов в день, глядя на экран компьютера, могут проявляться усталость или сухость глаз. В таких условиях может развиться сухой кератоконъюнктивит, также называемый синдромом сухого глаза. Синдром сухого глаза — распространённое заболевание, но одобренных препаратов для него совсем немного. Отчасти это объясняется трудностями моделирования сложной патофизиологии человеческих глаз. Но учёные разработали глаз-на-чипе, способный моргать: это искусственная модель человеческого глаза, созданная в лаборатории исследователями Penn Engineering.
Глаз-на-чипе, дополненный мигающим веком, помогает учёным и разработчикам лекарств лучше понять синдром сухого глаза и усовершенствовать его лечение. Исследование, опубликованное в Nature Medicine, демонстрирует широкие возможности метода использования глаза-на-чипе в качестве платформы для тестирования лекарственных средств.
Исследованием руководили доцент кафедры биоинженерии Дан Хо (Dan Huh) и аспирант Чонён Со (Jeongyun Seo).
Лаборатория Хо специализируется на создании органов на чипе, они работают над микроинженерными решениями для создания платформ для имитации органов. Дубликаты лёгких и костного мозга были запущены в космос в мае этого года для изучения заболеваний космонавтов. Учёные потратили годы на настройку глаза-на-чипе.
В недавно опубликованном исследовании Хо и Со сосредоточились на разработке модели глаза, способной имитировать здоровый глаз и глаз с синдромом сухого глаза, что позволило бы тестировать препараты без риска причинения вреда человеку.
Для того, чтобы сконструировать глаз-на-чипе, команда Хо начала с пористых структур, созданных с помощью 3D-печати, в форме контактных линз, их диаметр — примерно 20 мм, впоследствии на них были выращены клетки человеческого глаза. Клетки роговицы нарастили на внутренней стороне этой вспомогательной структуры, а клетки конъюнктивы, специализированной ткани, покрывающей белую часть человеческого глаза, вырастили вокруг неё. Желатиновая заготовка работала в качестве века, механически скользя по глазу со скоростью человеческого моргания. По слёзному протоку веко распространяло выделения слёз, образуя так называемую слёзную плёнку.
«С инженерной точки зрения нам было интересно подумать о возможности имитации динамической среды мигающего человеческого глаза. Мигание помогает распространять слёзы и образовывать тонкую плёнку, увлажняющую поверхность глаза. Оно также помогает сформировать гладкую поверхность для преломления пропускаемого света. Это была ключевая особенность глазной поверхности, которую мы хотели передать в нашем устройстве», — говорит Хо.
У людей с синдромом сухого глаза слёзная плёнка испаряется быстрее, чем восполняется, что приводит к воспалению и раздражению. Причиной синдрома сухого глаза является редкое мигание, что происходит при избыточном использовании компьютера, но у различных людей это заболевание может развиться по другим причинам. Синдром сухого глаза затрагивает около 14 % мирового населения, но ранее было трудно разрабатывать новые методы лечения. С 2010 года после 200 неудачных клинических испытаний лекарств только 2 были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов.
Лаборатория Хо видела потенциал тестирования лекарств с помощью органов-на-чипе с момента первоначальной концептуализации. Благодаря тому, что воздействие лекарства происходит на поверхность, синдром сухого глаза казался идеальным для начала испытания модели глаза. Но перед тем, как начать испытания лекарств, исследователи должны были убедиться, что их модель действительно может имитировать условия синдрома сухого глаза.
«Первоначально мы думали, что моделирование синдрома сухого глаза будет таким же простым, как и просто сохранение культурной среды сухой. Но, как оказалось, это невероятно сложное заболевание с множеством подтипов, — говорит Хо. — Однако, независимо от типа, существуют два основных механизма, лежащих в основе развития и прогрессирования синдрома. Во-первых, по мере испарения воды из слёзной плёнки концентрация соли резко возрастает, что приводит к гиперосмолярности слёз. Во-вторых, с увеличением испарения слёзной плёнки она становится тоньше и часто разрывается, это называется нестабильностью слёзной плёнки. Вопрос заключался в том, способен ли искусственный глаз-на-чипе смоделировать основные механизмы реакции глаза при синдроме».
После множества экспериментов, учёные смогли положительно ответить на этот вопрос. Команда воссоздала условия синдрома сухого глаза на глазе-на-чипе, сократив искусственное мигание устройства в два раза и поместив его в замкнутую среду, имитирующую влажность в реальных условиях. При тестировании лекарств на человеческих глазах, как здоровых, так и с синдромом сухого глаза, соответствующие модели глаза-на-чипе доказали схожесть с реальным органом по многим клиническим показателям. Функция глаза-на-чипе имитировала реальную работу глаз на пробе Ширмера, проверяющую выработку жидкости; в тесте на осмотическую концентрацию, измеряющем содержание соли в слёзной плёнке; в тесте на кератографию, оценивающем время, необходимое для разрушения слёзной плёнки.
Подтвердив способность глаза-на-чипе имитировать работу человеческого глаза в нормальных и вызывающих синдром сухого глаза условиях, команда Хо обратилась к фармацевтической промышленности за подходящим препаратом для тест-драйва. Они остановились на лекарстве на основе лубрицина, белка, содержащегося в основном в смазочной жидкости, защищающей суставы.
«Когда люди думают о синдроме сухого глаза, они рассматривают его как хроническое заболевание, вызванное воспалением, — говорит Хо. — Но появляется всё больше доказательств, что и механические причины важны для понимания патофизиологии синдрома. По мере того, как слёзная плёнка становится тоньше и нестабильнее, трение между веками и поверхностью глаза увеличивается, что может повредить эпителиальную поверхность, а также вызвать неблагоприятные биологические реакции, например, воспаление. Исходя из этих наблюдений, появляется интерес к разработке офтальмологических смазочных материалов для лечения сухости глаз. В нашем исследовании мы использовали препарат, основанный на лубрицине, проходящий в настоящее время клинические испытания. При тестировании препарата с помощью нашей модели глаза мы смогли продемонстрировать его антифрикционное действие, но, что важнее, используя модель, обнаружили его ранее неизвестную способность подавлять воспаление глазной поверхности».
Сравнив результаты тестирования моделей здорового глаза и глаза с синдромом сухого глаза, а также глаза с синдромом, к которому был применен лубрицин, Хо и Со смогли углубить понимание того, как работает лубрицин, а также показать перспективность препарата для лечения синдрома.
Процесс создания мигающего глаза-на-чипе способствовал также пониманию учёными работы самого глаза, обеспечив осознание роли механики в его биологии. В сотрудничестве с Вивек Шенои (Vivek Shenoy), директором Центра инженерной механики и биологии, команда исследователей обратила внимание на то, как физика моргания воздействует на клетки, выращенные ими, во время создания искусственного глаза вокруг каркаса.
«Первоначально клетки роговицы были одним слоем, но впоследствии разделились и образовали несколько слоёв. Это произошло, когда клетки выращивались на границе между жидкостью и воздухом. Они также образовывали тесные клеточные объединения и выражали набор маркеров во время дифференциации, — говорит Хо. — Интересно, что механические силы, возникающие в результате моргания, помогают клеткам дифференцироваться быстрее и эффективнее. Когда клетки роговицы выращивались на воздухе в присутствии мигания, скорость и степень дифференциации значительно возросли по сравнению с моделями без мигания. Исходя из этого, мы предполагаем, что физические силы, связанные с морганием, могут способствовать дифференциации клеток и поддержанию роговицы в хорошем состоянии».
Другими словами, клетки роговицы человека, выросшие на каркасе, созданном учёными, быстрее стали специализированными и эффективными в своей конкретной работе, когда искусственное веко мигало поверх них. Такое теоретическое достижение в сочетании с применением новых лекарственных средств подчёркивают ценность, привносимую в науку органами-на-чипе.
«Хотя мы только продемонстрировали экспериментальную проверку концепции, — говорит Со, — я надеюсь, что наша платформа глаза-на-чипе будет и дальше развиваться и использоваться для различных практических приложений, помимо скрининга лекарств, например, для тестирования контактных линз и хирургических операций».