«Большие гонки» по созданию мультиорганных динамических систем in vitro начались в 2012 году, когда в США стартовал масштабный проект, на который было выделено 200 миллионов долларов. Был создан новый институт, привлечены десятки крупнейших лабораторий и жестко зафиксирован срок — пять лет. В Европе также планируют выделить значительные средства на разработку таких систем в рамках программы по научным исследованиям и инновациям «Горизонт-2020» (Horizon 2020) с общим бюджетом 80 миллиардов евро, которая придет на смену Седьмой рамочной программе ЕС в 2014 году. Такие разработки интенсивно ведутся и в России, в научно-техническом центре «Биоклиникум».
Сегодня во многих лабораториях мира могут не только длительно поддерживать в культуре клетки человека, но и направлять их рост и развитие в нужную сторону – формировать подобие тканей и органов. Современные достижения биомедицины позволяют идти дальше в создании искусственных систем.
Если можно выращивать отдельные органы, то почему бы их не культивировать совместно? Поскольку занятие это очень дорогостоящее и интеллектоёмкое, сначала нужно убедительно обосновать: для каких целей может понадобиться такая система.
Оказывается, подобные системы in vitro очень даже востребованы. Много говорится о том, что эксперименты на лабораторных животных неэтичны. Но, даже если не принимать в расчет этот аргумент, часто оказывается, что новый лекарственный препарат, который замечательно зарекомендовал себя в доклинических испытаниях на морских свинках или подопытных мышах, в клинических испытаниях приводит к драматическим результатам.
Приведем лишь один факт, шокировавший в 2006 году не только жителей Лондона, но и всю мировую общественность. Шесть абсолютно здоровых молодых людей, участвовавших в клинических испытаниях нового лекарства от аутоиммунных заболеваний и лейкоза (препарат anti CD28 TGN1412), оказались в реанимации с неведомыми доселе медикам симптомами аллергии, более выраженными, чем при отеке Квинке, и получившими тогда собирательное название «человек-слон».
Возможно, этого бы не произошло, если бы существовала тест-система, микромодель человеческого организма, максимально приближенная к реальным условиям.
Модель, в которой учитывают не только воздействие лекарств на конкретные органы, но и способы введения в организм (от этого сильно зависит их метаболизация) — в виде таблетки через желудочно-кишечный тракт или внутривенно, внутримышечно (это физическая модель действия лекарств, в отличие от уже использующихся математических моделей, о которых писала «Газета.ru».)
Косметические фирмы, такие как «Л'Ореаль» и «Юниливер», отказываются от использования животных для тестирования своих новинок прежде всего потому, что коммерческие тест-системы с культурой клеток кожи человека — более адекватная модель для оценки воздействия химических веществ. Вместе с тем некоторые компоненты кремов и мазей способны проникать через кожу внутрь и по кровеносной системе разноситься по всему организму. Главный наш утилизирующий орган — печень, она защищает организм от нежелательного воздействия. Значит, в тест-системе должна быть смоделирована такая ситуация: вещество наносят на кожу, оно проникает внутрь, подхватывается омывающей клетки культуральной средой, состав которой в максимальной степени приближен к сыворотке крови, и доставляется к клеткам печени, где обезвреживается. Если взять пробы культуральной среды, то в идеале «на входе» мы обнаружим это вещество, а «на выходе» его быть не должно.
Тест-системы нужны и для подбора оптимальной схемы лечения пациентов уже известными, используемыми в медицине препаратами. Например, для того чтобы выбрать наиболее эффективное лекарство для лечения конкретной инфекции, врачи делают бактериальные посевы на чувствительность к различным антибиотикам. Это рутинная процедура. А можно взять небольшое количество клеток больного органа и в одинаковых условиях проверить эти клетки на чувствительность к препаратам. Если удастся разработать технологию такого тестирования — это будет очень важный шаг в развитии персонифицированной медицины, о которой так много сейчас говорят.
«Гомункулус»
Научно-технический центр «Биоклиникум» был создан в 2008 году. Здесь работают ученые самых разных специальностей, поскольку для создания такой тест-системы требуется квалификация специалистов из разных областей науки — биологии, электроники, пневматики, гидродинамики. Нужны математики, способные произвести расчеты, и инженеры, способные воплотить идеи в конструкторских решениях. «Над созданием тест-системы, которую мы назвали микробиореактор «Гомункулус», стали думать сравнительно недавно. В конце 2010 года наш научный руководитель, член-корреспондент РАН Александр Григорьевич Тоневицкий обсудил такую идею с бывшим аспирантом, ныне доктором наук, профессором, заведующим лабораторией в Техническом университете Берлина Уве Марксом, — рассказывает корреспонденту «Газеты.Ru» генеральный директор «Биоклиникума» кандидат биологических наук Дмитрий Сахаров. — С 2010 года мы начали разрабатывать эту идею параллельно с немецкими коллегами на основе кооперации. Привлекли партнеров из других научных учреждений, в частности из Института Франугофера в Дрездене, чтоб лучше понимать, как функционируют модели, как функционирует тот или иной орган. Весь 2010 год прошел в обсуждениях и дискуссиях: как подступиться к решению задачи. Уве Маркс начал разрабатывать модели органов, а мы в 2011 году подключились с инженерной частью».
Что же представляет собой современный вариант гомункулуса — «человек на чипе»?
Установка состоит из двух частей — собственно чипа, в шести ячейках которого культивируются клетки моделей органов (кишечника, печени, легких, сердца, мозга, кожи), и блока управления, с помощью которого задаются все параметры культуральной среды, омывающей их. В замкнутой системе созданы условия, имитирующие «жизнь» одной стотысячной человека — как по количеству клеток, так и по количеству омывающей их жидкости.
Скорость движения жидкости рассчитана таким образом, чтобы соответствовать скорости в конечных капиллярах реального человеческого организма. Поскольку наш главный мотор — сердце — создает пульсацию, в результате которой все клетки организма испытывают механическую деформацию (растяжение-сжатие), имитация этого процесса в «Гомункулусе» достигается за счет работы клапанов насосов, нагнетающих жидкость в установку. Учтены и скорость обновления жидкости, и последовательность поступления ее к моделям органов на чипе: например, «кишечник» напрямую соединен с «печенью» (имитируется воротная вена печени). Кроме того, к печени подводится свежая культуральная жидкость (имитируется печеночная артерия).
В чипе предусмотрены и отсеки для установки биосенсоров — электрохимических и оптических датчиков для анализа гомеостаза среды, чтобы поддерживать концентрации питательных веществ и метаболитов в физиологических пределах. Есть зона, где осуществляется обогащение среды СО2: через два близко идущих капилляра под воздействием диффузии через слой полимера углекислый газ поступает в культуральную среду. Это позволяет обходиться без СО2-инкубатора и поддерживать кислотность среды (pH). Система термостатирования помогает поддерживать постоянную температуру 37° С или любую другую, если необходимо имитировать тепловой стресс.
«Мы не говорим, что целиком эмулируем организм, но мы уже точно шагнули вперед и от смеси статических культур клеток движемся к некой модели органов человека, – поясняет Дмитрий Сахаров.
– Пока мы работаем с раковыми линиями клеток, а не с первичными. Почему? Чтоб создать стандартные условия. На научном рынке есть коммерческие штаммы клеток. И наша задача – выбрать раковые штаммы, наиболее близкие к основным органам человека, чтоб результаты могли воспроизвести в других лабораториях».
Перед тем, как поместить клетки в биореактор, их несколько недель культивируют в планшетах, индуцируют дифференцировку – специализацию, об успешности которой судят не только по внешним признакам (например, клетки эпителия кишечника образуют микроворсинки), но и по биохимическим маркерам (гепатоциты начинают синтезировать альбумины и цитохромы). Кроме того, растущие на пористой полиэтиленовой мембране клетки сами делают себе дополнительную «подложку» – матрикс из коллагена, и самоорганизуются в сфероидную структуру. Исследуемые вещества можно вводить непосредственно в ячейку (имитируя чрезкожное или пероральное введение) или в культуральную среду (имитируя внутривенное введение) и следить, измеряя биохимические и ростовые параметры, какие метаболиты выделяются, и как они влияют на работу других «органов» в системе.
Микробиореакторы «Гомункулус» уже стоят в лаборатории Уве Маркса в Берлине и в Новосибирском научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН, где на них отрабатывают методику выращивания тканей. Вместе с тем предстоит решить еще много разных задач, не только технического, но и морально-нравственного характера. Например, какие источники тканей человека использовать. Какова максимально возможная степень эмуляции человеческого организма в таких системах. Как регламентировать юридические аспекты использования культур клеток, предоставленных пациентами. Нужно ли создавать биобанки клеточных культур и, если нужно, как законодательно регулировать этот вопрос. И, наконец, готово ли общество воспринять тест-системы в виде модели человека.