Орган-на-чипе

Микрожидкостная лаборатория на чип-устройстве из полистирола
Лаборатория на чипе Микрожидкостная лаборатория на чип-устройстве из полистирола. Credit: Cooksey/NIST / flickr.com

Знаменитая серия японских игр, а также снятые по ним фильмы «Обитель зла» научили нас внимательно относиться к экспериментам с человеческим организмом. Однако бесстрашные ученые активно разрабатывают новые методы предотвращения заболевания, лечения и модернизации нашей внутренней системы жизнеобеспечения.


 

Современные технологии и относительное отсутствие крупных военных конфликтов позволили человечеству вновь задуматься о светлом будущем и даже о бессмертии (фильмы про зомби именно с этого и начинаются). Укрепление иммунной системы, разработка лекарственных средств от ранее неизлечимых болезней, использование 3D-принтера для создания новых органов и их имплантация — всё это область действия таких наук, как биомедицинская инженерия (применение биологии и других наук в медицинских целях) и биоинженерия (использование биологии для решения актуальных проблем современности).

 science photo / shutterstock.com Лаборатория на чипе представляет собой устройство, объединяющее несколько лабораторных процессов в одном устройстве, в основном LOC на основе стеклянной пластины.
science photo / shutterstock.com
Лаборатория на чипе представляет собой устройство, объединяющее несколько лабораторных процессов в одном устройстве, в основном LOC на основе стеклянной пластины.

Однако любые разработки требуют экспериментального доказательства до применения на практике. Поддерживая отказ от варварской традиции опытов над животными, ученое сообщество приступило к созданию «макетов» человеческих органов для использования при разработке лекарственных препаратов. Они получили название «Органы на чипе» (Organ-on-a-chip).

«Орган на чипе» активно используется в разработке биомедицинских микроэлектромеханических систем (biomedical microelectromechanical systems, или Bio-MEMS), другими словами — устройств, которые объединяют в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты, взаимодействие которых направлено на биомедицинское применение.

Исследователи разработали шесть типов чернил, с помощью которых в микроархитектуру тканей были интегрированы мягкие датчики деформации.

Их часто ставят в один ряд с «Лабораториями на чипах» (labs-on-chips), на основе разработок которых и был создан «Орган на чипе», однако в первом случае применялись достаточно простые технологии: силиконовый эластомер (вязкие полимеры) и плоские микроэлектроды, — тогда как во втором используется 3D-принтер. Однако «Органы на чипе» представляют собой новое поколение 3D-моделирования, так как являются не просто моделью элементов человеческого организма, но и имитируют их биологическую активность.

Еще в 2009–2010 гг. ученые из США и Японии провели ряд успешных экспериментов, используя «Орган на чипе». Они выяснили, как клетки реагируют на лекарство от рака, как инициируются иммунные реакции в легких, с какой скоростью распространяется вирус гепатита в печени. Но семь лет назад фармацевтические компании скептически отнеслись к новым разработкам, предпочитая использовать проверенные методы в виде экспериментов над животными.

Нужно отметить, что успехи «Органов на чипе», как и микроэлектромеханических систем в целом, связаны с заинтересованностью в них военных структур. Так, программа Массачусетского технологического института PhysioMimetics спонсируется Агентством передовых оборонных исследовательских проектов.

На данный момент в рамках проекта «Орган на чипе» уже созданы легкие, печень, кишечник, почки, головной мозг, даже репродуктивная и иммунная система.

Совсем недавно, 17 февраля 2017 г., ученые из Гарварда впервые смогли инициировать полностью автоматический процесс создания «Сердца на чипе». Это стало возможно благодаря интеграции зондирования, позволяющего легко менять конструкцию системы и упрощающего сбор данных.

Исследователи разработали шесть типов чернил, с помощью которых в микроархитектуру тканей были интегрированы мягкие датчики деформации. Созданный чип содержит несколько скважин с отдельными тканями и встроенными датчиками, что позволяет изучать множество спроектированных тканей сразу.

Ожидается, что в будущем появится возможность интеграции модели «Органов на чипе» с индивидуальными клетками человека для их дальнейшей трансплантации. Это позволит избежать проблемы с отторжением иммунной системой пересаженного органа.

На основании разработок «Органов на чипе» многолетнее обсуждение клонирования человека и создания человекоподобных роботов (андроидов) приобретает все более четкие очертания. Так, ученые из США и Великобритании смогли объединить несколько органов в единую систему с целью воссоздания процесса их работы в тандеме. Помимо перечисленных выше органов, созданных в рамках проекта, новая система «Человек на чипе» (Human-on-a-chip) в будущем должна включить в себя также сердечно-сосудистую систему и даже кожу.

Уже существуют проекты «Ты на чипе» (You-on-a-chip), предполагающие реконструкцию индивидуальных для человека живых клеток и создание модели его собственного организма. Это позволит каждому человеку определить собственные потребности в питании, принятии лекарств, а также аллергические реакции.

Несмотря на значительные успехи в данной области, не все фармацевтические компании могут позволить себе использование «Органов на чипе» в связи с их высокой стоимостью и трудоемкостью процесса изготовления: чистые помещения, многоступенчатый литографический процесс (с использованием нанотехнологий), высокоскоростные камеры. Отсюда следует, что, пока данные сложности не устранены, одна из основных целей создания «Органа на чипе», а именно прекращение экспериментов над животными, не будет выполнена. Тем не менее столь точное моделирование процессов жизнедеятельности не позволяет сомневаться в перспективности этих исследований.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Войти с помощью