«Сердце-на-чипе» облегчит разработку лекарств
Поверхность «сердца-на-чипе» покрыта тканью, сформированной человеческими кардиомиоцитами,
полученными из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
В будущем эта система сможет заменить животные модели
при разработке лекарственных препаратов.
Исследователи университета Калифорнии в Беркли, работающие под руководством профессора Кевина Хили (Kevin Healy), разработали так называемое «сердце-на чипе». Устройство представляет собой чип длиной примерно 2,5 см, на поверхности которого пульсирует система кардиомиоцитов, представляющая собой эффективную модель ткани человеческого сердца, пригодную для скрининга лекарственных препаратов и изучения их токсичности.
Авторы отмечают высокую степень неудач при использовании животных моделей для прогнозирования реакции сердечной мышцы человека на экспериментальные препараты. Основной причиной этого являются фундаментальные отличия в биологии видов. Например, человек и представители других видов значительно отличаются по количеству и структурным параметрам ионных каналов, по которым перемещаются испускаемые клетками сердца электрические импульсы. Эти каналы являются мишенями многих препаратов для лечения заболеваний сердца, поэтому межвидовые отличия часто приводят к тому, что неэффективные дорогостоящие эксперименты не обеспечивают получения достоверных данных о токсичности препарата для человека.
Эту проблему можно решить с помощью разработанной авторами модели, для создания которой использовались человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК). Полученные из них кардиомиоциты высевали на специальным образом сформированную поверхность чипа, трехмерная структура которой отражает геометрию и взаимное расположение соединительных волокон в ткани сердца человека. Благодаря этой особой структуре клетки располагались параллельно друг другу и формировали многослойную культуру.
В качестве поддерживающих жизнеспособность сердечной мышцы кровеносных сосудов выступали расположенные по обе стороны от покрытой клетками зоны микрожидкостные каналы, обеспечивающие доставку питательных веществ и тестируемых препаратов. В будущем эти каналы можно будет использовать для мониторинга выведения из клеток продуктов жизнедеятельности.
Такие пластинки используются для создания систем типа «орган-на-чипе».
В течение 24 часов после размещения на поверхности чипа кардиомиоциты начинали самостоятельно сокращаться с частотой 55-80 сокращений в минуту, что соответствует частоте сердечного ритма здорового взрослого человека.
Для проверки эффективности системы исследователи использовали ее для мониторинга реакции клеток на четыре хорошо известных препарата для лечения болезней сердца: изопротеренол, E-4031, верапамил и метопролол. Для оценки реакции на воздействие препаратов использовали изменения частоты ритма сокращений.
Полученные результаты хорошо прогнозировались на основании известных данных о действии препаратов. Например, продолжавшееся 30 минут воздействие изопротеренола, применяемого для лечения брадикардии (замедления сердечного ритма), увеличивало частоту ритма с 55 до 124 сокращений в минуту.
Видеоролик демонстрирует человеческую сердечную мышцу, выращенную из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, до и после воздействия изопротеренола. Спустя 30 минут после воздействия препарата частота сокращений кардиомиоцитов возрастает – это видно даже без измерений.
Разработчики отмечают, что созданное ими «сердце-на-чипе» можно адаптировать для изучения различных генетических заболеваний человека и персонализированного скрининга реакций на препараты. Они также изучают возможность применения системы для моделирования мультиорганных взаимодействий (см. статью «Гомункулус отрастит сердце» о далеко не первом мультиорганном «человеке на чипе», в данном случае – российского производства).
Статья Anurag Mathur et al. Human iPSC-based Cardiac Microphysiological System For Drug Screening Applications опубликована в журнале Scientific Reports.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам University of California – Berkeley:
Bioengineers put human hearts on a chip to aid drug screening.
12.03.2015