Хотя некоторые предполагают, что устройства чрезмерно упрощают биологию человека, путем обратного проектирования структуры органов микросхемы смогли воссоздать сложные функции на уровне органов, что привело к новому пониманию того, что необходимо, а что нет, для функционирования жизни. В комментарии, опубликованном 10 марта в Cell — части специального выпуска о биологии коммуникации — Дональд Ингбер, директор Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете, описывает, как органы на чипах предлагают новые мощные возможности. способ проанализировать функции органов и патофизиологию человека, а также предоставить потенциальный способ заменить испытания на животных и продвинуть персонализированную медицину.«Мы не пытаемся восстановить человеческий орган», — говорит Ингбер. «Мы пытаемся разработать культуральную среду для живых клеток человека с минимальными конструктивными особенностями, которые побудят их воссоздавать структуры и функции на уровне органов, чтобы имитировать физиологию, которую мы видим в человеческом теле».Ингбер рассматривает моделирование человеческого органа как проблему системного уровня.
В то время как недавние достижения в области органоидов предоставляют новые возможности для наблюдения и управления развитием тканей человека in vitro, исследователи могут использовать органы на чипах для изучения того, как несколько различных типов клеток и тканей, включая эпителий, эндотелий сосудов, иммунные клетки и оба комменсала. и патогенные микробы — общаются для регулирования патофизиологии целых организмов. «Коммуникация в биологии — это передача информации», — говорит он. «Будь то на молекулярном, клеточном, тканевом, органном уровне или на уровне всего тела, жизнь заключается в том, что эта информация интегрирована во множестве масштабов и на множестве уровней сложности».Например, легкое на чипе, разработанное Ингбером в 2010 году совместно с инженером-биомедицином Донгеном (Дэн) Ху, началось с минимум двух близко расположенных тканей: одна — слой клеток воздушного мешка легких, а другая — кровь. сосудистые клетки — в двухканальном устройстве, в котором клетки легких покрыты воздухом, а жидкая среда, содержащая лейкоциты человека, непрерывно течет по клеткам сосудов так же, как кровь течет по сосудам нашего тела. Чип также подвергает ткани циклическим растягивающим и расслабляющим движениям, имитирующим дыхательные движения. С помощью чипов исследователи могут измерить, как бактериальные инфекции или переносимые по воздуху частицы вызывают травмы и воспаления, а также то, как определенные лекарства вызывают перемещение жидкости в воздушное пространство, вызывающее отек легких.
Совсем недавно было показано, что небольшие легочные чипы дыхательных путей, созданные из клеток легких, взятых у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), имитируют обострения воспаления легких, вызванные вирусными или бактериальными инфекциями, аналогично тем, которые наблюдаются у пациентов с ХОБЛ.Несмотря на то, что это абстракция легкого, биология, отображаемая на чипе, последовательно воспроизводит реакции, наблюдаемые как у животных, так и у людей.
Различные микросхемы органов также были связаны проточной средой, чтобы моделировать взаимодействие нескольких органов. Некоторые из самых удивительных результатов этих экспериментов касаются того, как мало вам нужно для воспроизведения того, что часто считается сложной биологией.«С органами на чипах мы можем получить комбинацию двух или трех типов тканей, а затем добавить иммунные клетки или микробы», — говорит Ингбер. «Затем мы можем выборочно изменить каждый параметр управления и посмотреть, что он делает — как каждый вносит свой вклад в отдельности, как они вносят свой вклад вместе или в различных комбинациях — я не знаю ни одной другой системы, где мы могли бы сделать это с человеческими клетками. от ткани до уровня органа ".Комбинация «орган на чипе» с технологией стволовых клеток также предлагает возможности для улучшения персонализированной медицины.
Например, Ингбер предполагает, что путем создания индуцированной ткани человека, полученной из плюрипотентных стволовых клеток, у пациентов, можно было бы провести скрининг лекарств на чипах, созданных с их клетками, а затем, в случае успеха, протестировать потенциальное лекарство на тех же пациентах. Этот тип персонализированной программы разработки лекарств позволит сэкономить деньги на неудавшихся клинических испытаниях и ускорит доступ новых лекарств к пациентам, которые немедленно принесут пользу.
«Органы на чипах позволяют проводить исследования, которые имеют гораздо большее значение для людей, чем работа с клетками животных или даже с человеческими клетками на жестких чашках», — говорит Ингбер. «Я думаю, что идея персонализированной медицины, сочетающей чипы с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками, может быть трансформирующей».