Скрининг лекарств на чипе

Исследователи института регенеративной медицины Уэйк-Форест, работающие под руководством доктора Энтони Атала (Anthony Atala), с помощью методов тканевой инженерии создали миниатюрные модели органов – сердца, легких и печени, – потенциально пригодных для тестирования новых препаратов. Они планируют комбинировать эти микро-органы в виде мониторируемой системы, воспроизводящей реакции человеческого организма на лекарственные препараты.

Целью этого исследовательского направления, посвященного созданию так называемого «организма-на-чипе», является снижение огромных финансовых затрат и процента неудач, с которыми сталкиваются фармацевтические компании при разработке новых препаратов. В настоящее время экспериментальные препараты проходят скрининг в лабораторных условиях на человеческих клетках, после чего тестируются на животных. Однако ни один из этих подходов не позволяет с точностью воспроизводить влияние препаратов на органы человека.

Авторам удалось создать миниатюрные трехмерные органы, или органоиды, и объединить их на одной платформе, обеспечивающей моделирование функций организма и возможность проводить мониторинг функций всей системы с беспрецедентной на сегодняшний день точностью.

Созданные авторами органоиды изготавливаются из клеток, входящих в состав человеческих тканей, с помощью метода трехмерной печати и других технологий клеточной инженерии. Сердце и печень были выбраны для создания системы из-за того, что токсичность в отношении этих органов является одной из основных причин провалов разработки экспериментальных препаратов и изъятий лекарственных средств из продажи. Легкие являются местом проникновения токсичных веществ и аэрозольных препаратов, таких как ингаляционные препараты для лечения астмы.

Органоиды размещаются внутри герметичной мониторируемой системы, оснащенной камерой, работающей в режиме реального времени. Жизнеспособность органоидов поддерживается с помощью циркулирующей в системе питательной среды, в которую также вносятся потенциальные лекарственные препараты.

Сначала исследователи протестировали органоиды на предмет их сходства с человеческими органами. Например, микро-печень сначала получала высокую дозу широко применяемого обезболивающего препарата, а впоследствии – другого соединения, нейтрализующего его токсичные эффекты. Наблюдаемые при этом реакция на токсичное действие и ослабление его проявление после лечения в точности соответствовали проявлениям, наблюдаемым у пациентов.

Однако реакция на препараты целого организма гораздо важнее реакций отдельных органов. Достаточно часто в процессе тестирования новых экспериментальных препаратов, а иногда даже после одобрения клинического применения новых лекарственных средств у них обнаруживается неожиданное токсичное влияние на ткани, не являющиеся непосредственной терапевтической мишенью.

Например, если проводить скрининг препарата только на печени, совершенно невозможно оценить потенциальное побочное действие на другие органы. Объединение нескольких органов в единую систему может решить эту проблему, а также спасти множество жизней и сэкономить огромные суммы.

Авторы отработали множество сценариев для того, чтобы убедиться в том, что разработанная ими система «организм-на-чипе» воспроизводить мультиорганные реакции на лекарственные препараты. Например, они вводили в систему препарат, применяемый для лечения рака. Заведомо вызывающий рубцевание ткани легких, в системе он неожиданно оказал воздействие на органоид сердца. Однако в контрольном эксперименте на изолированную модель сердца препарат не оказал никакого влияния.

На основании этого наблюдения было выдвинуто предположение, что под действием данного препарата воспалительные белки выходят из ткани легких и циркулируют по всей кровеносной системе. В результате сердце начинает сокращаться быстрее, после чего сокращения полностью прекращаются, что указывает на существование токсичного побочного эффекта.

В настоящее время авторы работают над ускорением работы системы для более масштабного скрининга, а также над внесением в нее дополнительных органов.

Статья Aleksander Skardal et al. Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform опубликована в журнале Scientific Reports.