Созданы лёгкие человека на микрочипе

Отчасти живой чип, воспроизводящий на клеточном уровне функции органа дыхания человека, откроет новую главу в биомедицинских исследованиях и фармацевтике. Так считают его авторы — Дональд Ингбер (Donald Ingber), директор института бионики Вайса, его коллеги по учреждению, а также учёные из медицинской школы Гарварда (Harvard Medical School) и Бостонского детского госпиталя (Children's Hospital Boston).

Поскольку новые чипы прозрачны, исследователи могут легко наблюдать под микроскопом за различными реакциями живой ткани на внешние раздражители, чего затруднительно достичь в случае работы с настоящим модельным организмом и тем более – с человеком (фото Felice Frankel).

Ключевой элемент лёгких – это трёхслойная мембрана в альвеолах. Она обеспечивает не только газообмен, но и ряд других функций вроде активации иммунной системы. Состоит такая мембрана из клеток лёгких, проницаемого внеклеточного матрикса и клеток кровеносных капилляров. Именно этот "интерфейс" и воспроизвели исследователи внутри микроканального чипа.

В роли матрикса выступила тончайшая резиновая мембрана с множеством микроскопических отверстий. По обе стороны от неё учёные поместили живые человеческие клетки, соответственно капиллярные и клетки лёгких. Со стороны последних вакуумный насос имитировал цикл дыхания, а с противоположной стороны чипа учёные пропускали жидкость, имитирующую кровоток.

Для создания чипа-лёгких пришлось соединить методы компьютерной отрасли и микромеханики с тканевой инженерией (фото Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering).

Со стороны клеток лёгких учёные ввели бактерии E. coli, а со стороны искусственных капилляров — белые клетки крови. Клетки лёгких обнаружили бактерии, через пористую мембрану они активировали клетки сосудов, которые, в свою очередь, вызвали иммунный ответ. Так белые клетки крови перешли к воздушной камере и уничтожили бактерии.

Помимо прочего специалисты проверили воздействие на лёгкие-чип различных наночастиц, которые содержатся в некоторых продуктах и также являются загрязнителями воздуха и воды.
Так обнаружилось, что механический процесс дыхания увеличивает поглощение таких частиц стенками лёгких и многие из частиц переходят из воздушного канала в кровь. Некоторые частицы вызвали у живых клеток в приборе перепроизводство свободных радикалов и воспаление. Ранее такие эффекты исследователи могли наблюдать лишь на лабораторных животных (иллюстрация Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering).

Создатели чипа уверяют, что проверка воздействия на лёгкие человека токсинов или, напротив, лекарств с новым чипом окажется более быстрой и менее дорогой, нежели с прежними методами. В планах: испытание нового чипа на газообмен между кровью и воздухом, а также создание аналогичных чипов — имитаторов кишечника и костного мозга. Позднее учёные попробуют объединить несколько таких устройств, сделав шаг к модельному "организму на чипе".

Детали изложены в статье в Science и пресс-релизе медицинской школы Гарварда.