Костный мозг на чипе

Последняя разработка исследователей Гарвардского университета в области создания «органов на чипе» воспроизводит структуру, функции и клеточный состав костного мозга. Устройство, получившее название «костный мозг на чипе», позволит ученым изучать влияние препаратов, токсичных соединений и радиоактивного излучения на костный мозг без использования животных.

Руководитель исследования профессор Дональд Ингбер (Donald E. Ingber) возглавляет проект, целью которого является создание так называемых «органов на чипе» – небольших микрожидкостных устройств, воспроизводящих физиологию органов живых животных. На сегодняшний день исследователям уже удалось создать чипы, воспроизводящие ключевые аспекты функционирования легких, сердца, почек и кишечника человека. Еще несколько моделей органов находятся на разных стадиях разработки. Целью работы над данной технологией является замещение тестирования новых лекарственных средств и содержащихся в окружающей среде токсинов на животных, а также разработка нового подхода к моделированию заболеваний человека.

До сих пор для создания органов на чипе исследователи комбинировали различные типы формирующих интересующий их орган клеток на поверхности микрожидкостного чипа и обеспечивали непрерывное снабжение питательными веществами, выведение продуктов распада и механическое воздействие, которому соответствующие ткани подвергаются в условиях организма. Однако структура и функции костного мозга настолько сложны, что для его воспроизведения потребовалось применение принципиально нового подхода.

Основная сложность обусловлена существованием тесной взаимосвязи между костным мозгом и костной тканью. Костный мозг содержится внутри губчатых костей. Внутри кости данного типа имеют пористую структуру, напоминающую ячейки пчелиных сот. Различные зоны этой структуры отличаются по температуре и уровню насыщенности кислородом, при этом каждый из многочисленных типов клеток, населяющих костный мозг, предпочитает особые условия. Более того, клетки костного мозга взаимодействуют между собой посредством секреции и распознавания множества биологически активных молекул, являющихся своего рода сигналами, управляющими их судьбой. В зависимости от характера этих сигналов гемопоэтические стволовые клетки и клетки-предшественники делятся, дифференцируются, созревают или самоуничтожаются, а зрелые клетки крови выходят в кровоток.

Вместо того, чтобы пытаться воспроизвести эту сложнейшую структуру с помощью чипов, авторы решили воспользоваться «помощью» мышей. Они поместили сухой костный порошок внутрь открытой кольцевой формы размером с батарейку монетного типа и имплантировали ее под кожу на спине животного.

Спустя 8 недель из-под кожи животного хирургическим путем удалили форму, внутри которой сформировался костный фрагмент, анализ которого с помощью специализированного компьютерного сканнера продемонстрировал внутреннюю структуру, аналогичную структуре внутренностей губчатой кости.

 
Полученное с помощью микроскопа изображение биоинженерной кости с открывающим губчатую структуру отверстием,
на которое наложены окрашенные изображения клеток крови и системы сосудов,
заполняющих пространство между костными пластинками.

Гистохимический анализ клеток, населявших сформировавшуюся губчатую кость, а также их сортировка на фракции и оценка клеточности каждой фракции подтвердили идентичность сформировавшейся ткани и костного мозга, содержащегося в бедренных костях мыши.

Для поддержания функционирования биоинженерного костного мозга вне организма животного исследователи поместили удаленный хирургическим путем костный фрагмент на поверхность микрожидкостного чипа, обеспечивающего его непрерывное снабжение питательными веществами и выведение продуктов распада. Это позволило поддерживать полноценную жизнедеятельность модели костного мозга в течение недели. Авторы считают, что этот срок достаточен для тестирования токсичности и эффективности экспериментальных препаратов.

«Костный мозг на чипе» уже прошел первичный тест на пригодность для тестирования лекарственных препаратов. Так же, как и костный мозг живой мыши, биоинженерный костный мозг подвержен губительному действию ионизирующей радиации. Однако одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США препарат, защищающий костный мозг проходящих радиотерапию пациентов, предотвращает гибель модели «костного мозга на чипе».

Разработчики надеются, что в будущем они смогут выращивать модель человеческого костного мозга в организме иммунодефицитных мышей. Это позволит создавать легкие в применении модели для скрининга препаратов с целью подбора оптимизированной индивидуальной терапии для пациентов. Также «костный мозг на чипе» можно будет использовать для сохранения костного мозга онкологических пациентов, проходящих курсы высокотоксичной для системы кроветворения радио- и химиотерапии.

Еще одним возможным применением новой разработки является ее использование в качестве источника клеток крови, циркулирующих в искусственной кровеносной системе, обеспечивающей функционирование системы других «органов на чипе». Исследователи уже получили финансирование для проекта, целью которого является создание системы из 10 «органов на чипе» для изучения сложных физиологических процессов вне организма человека.

Статья Yu-suke Torisawa et al. Bone marrow–on–a–chip replicates hematopoietic niche physiology in vitro опубликована в журнале Nature Methods.

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering:
Bone marrow-on-a-chip unveiled.

08.005.2014