Значительный прогресс достигнут в направлении создания «homo minutus» — настольного человека — сообщили на собрании Общества Токсикологии 26 марта в Фениксе, США.
Анонсирована успешная разработка конструкции, которая реагирует на воздействие токсических химических веществ подобно человеческой печени. Об этом сообщил профессор Джон Уиксво (John Wikswo) из университета Вандербилта.
Работа является результатом пяти лет труда, 19 млн долларов и сотрудничества Раши Айер (Rashi Iyer), старшего научного сотрудника Национальной Лаборатории Лос-Аламоса, и вышеупомянутого Уиксво. Проект развивается как конструкция из четырех взаимосвязанных органов человека — печени, сердца, легких и почек, основанная на платформе, называющейся ATHENA (Афина).
«Исходным толчком для данного исследования стало осознание проблем, которые возникают в процессе разработки новых лекарств, — сказал Уиксво. Ряд новых перспективных препаратов, которые хорошо выглядели в традиционных клеточных культурах и испытаниях на животных, провалились, когда были испытаны на людях, многие из-за токсического воздействия. Это более миллиарда долларов убытка. Наш нынешний процесс тестирования просто не работает».
В последние годы ученые и врачи всего мира начали разрабатывать более актуальные и передовые лабораторные испытания эффективности и токсичности препаратов: маленькие биореакторы, оборудованные датчиками контроля. В биореакторах формируется подобная человеческому органу структура.
В конечном счете, целью является соединение модулей отдельных органов химическим способом, через суррогат крови, что имитирует способ соединения органов в теле. Исследователи надеются, что этот «homo minutus» с его способность имитировать пространственные и функциональные свойства человеческих органов во всей их сложности, окажется более точным инструментом проверки новых лекарств на эффективность и потенциальные побочные эффекты, чем современные методы.
Устройства этого типа могут быть также чрезвычайно полезными в области токсикологии. Из десятков тысяч химических соединений, находящихся в торговом обороте, лишь малая часть тестировались на токсичность. И даже те были проверены только на сильную токсичность — из-за затрат и времени, необходимого для таких испытаний. Новые технологии могут сделать этот процесс значительно дешевле и быстрее.
Проект ATHENA объединил навыки и знания многих ведущих исследователей в этой новой области. Печень разрабатывает Катрин Цайлингер и ее коллеги из Берлина, а также Кевин Кит Паркер из Гарварда. Шуво Рой из Сан-Франциско и Уильям Фиссель из Вандербилта занимаются созданием почки. Айер, кроме того, что руководит всем проектом, занимается проектом легких в Лос-Аламосской лаборатории. Уиксво и его исследовательская группы занимается построением аппаратной платформы и сердечной системы. Анджей Пжеквас создает суррогатную кровь для поддержания четырех устройств.
Одним из ключевых вопросов для разработчиков конструкции, имитирующей человеческий орган, является масштаб: какого размера должны быть искусственные органы? Различные группы выбрали разные масштабы, от «микрочеловека» (одна миллионная от размера человеческих органов), до «милличеловека» (одна тысячная размера).
«Масштаб чрезвычайно важен», — говорит Айер. Если масштаб слишком мал, то трудно воссоздать физиологию, потому что нужен кворум клеток, чтобы они действовали в качестве органа, и трудно получить достаточное количество данных для анализа. Если масштаб слишком велик, затраты сделают эти устройства слишком дорогостоящими.
Работа над проектом ATHENA в клинике Шарите (Берлин, Германия) началось с помещения в биореактор для поддержки пациентов с заболеваниями печени части человеческой печени и уменьшения препарата. Препарат состоит теперь из четырех слоев и занимает объем в одну десятую миллилитра. Цайлингер отметила, что полученная структура оптимальна с точки зрения метаболической производительности, и ее работа с ферментами теперь напоминают работу ткани печени человека.
Оригинальная система, разработанная в клинике Шарите для содержания живых клеток печени стоила 80 000 долларов и была размером с небольшой холодильник. Используя достижения микрогидродинамики, команда Уиксво создала небольшое устройство, которое стоит около двух тысяч долларов, и делает тоже самое. Исследователь продемонстрировал, что устройство может держать клетки печени человека здоровым в течение длительного времени.
Определение правильного масштаба важно для понимания относительных размеров и функции каждого органа на общей платформе. Так, если соединить печень, которая представляет собой одну тысячную долю печени человека с легким, которая представляет одну миллионную часть, результаты экспериментов не будут достоверными. Это все равно, что заставить сердце ребенка быть насосом для печени крупного взрослого, это не может работать.
«Мы выбрали размер, который находится между микрочеловеком и милличеловеком — одну десятую часть милличеловека, — сказал Айер. Я думаю, что успех, которого мы добились в создании устройства, имитирующем печень, означает, что мы нашли золотую середину».
Кроме успешного сокращения размера платформы, исследователи в лаборатории Вандербильта ввели еще одну важную инновацию, подключив платформу органов к мощному, узкоспециализированному инструменту, масс-спектрометру, который может одновременно обнаруживать и идентифицировать присутствие мельчайшего количества десятков тысяч различных биологических молекул одновременно.
По словам Айер, высокий уровень детализации результатов первых экспериментов подтверждает перспективы платформы ATHENA в сочетании с технологией масс-спектрометрии обеспечить более чувствительный и эффективный метод проверки новых лекарств и веществ, которыми мы уже пользуемся.
Команда планирует подключение их «печени» к «сердцу», разрабатываемому в Гарварде, этой зимой. Они ожидают, что «легкие» будут готовы в следующем году, а «почка» на год позже.
