Вместо этого исследовательская группа под руководством профессора биоинженерии Кевина Хили представляет сеть пульсирующих клеток сердечной мышцы, размещенных в силиконовом устройстве длиной в дюйм, которое эффективно моделирует ткань сердца человека, и они продемонстрировали жизнеспособность этой системы в качестве инструмента для скрининга лекарств. проверив его с помощью сердечно-сосудистых препаратов.Этот орган-на-чипе, о котором сообщается в исследовании, которое будет опубликовано в понедельник, 9 марта, в журнале Scientific Reports, представляет собой важный шаг вперед в разработке точных и быстрых методов тестирования на токсичность лекарств. Проект финансируется через Tissue Chip for Drug Screening Initiative, межведомственное сотрудничество, начатое Национальными институтами здравоохранения с целью разработки трехмерных чипов тканей человека, которые моделируют структуру и функции человеческих органов.«В конечном итоге эти чипы могут заменить использование животных для проверки лекарств на безопасность и эффективность», — сказал Хили.
Авторы исследования отметили высокую частоту неудач, связанную с использованием моделей животных, отличных от человека, для прогнозирования реакций человека на новые лекарства. Исследователи объяснили, что во многом это связано с фундаментальными различиями в биологии между видами. Например, ионные каналы, через которые клетки сердца проводят электрические токи, могут различаться как по количеству, так и по типу у людей и других животных.
«Многие сердечно-сосудистые препараты нацелены на эти каналы, поэтому эти различия часто приводят к неэффективным и дорогостоящим экспериментам, которые не дают точных ответов о токсичности лекарства для человека», — сказал Хили. «В среднем на разработку лекарства уходит около 5 миллиардов долларов, и 60 процентов этой суммы приходится на первоначальные затраты на этапе исследований и разработок. Использование хорошо спроектированной модели человеческого органа может значительно сократить расходы и время новый препарат на рынке ».
Клетки сердца были получены из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, взрослых стволовых клеток, которые могут стать различными типами тканей.Исследователи разработали свою кардиомикрофизиологическую систему, или «сердце на чипе», так, чтобы ее трехмерная структура была сопоставима с геометрией и расположением волокон соединительной ткани в сердце человека. Они добавили дифференцированные клетки человеческого сердца в зону погрузки — процесс, который Хили сравнил с пассажирами, садящимися в поезд метро в час пик.
Ограниченная геометрия системы помогает выровнять ячейки в нескольких слоях и в одном направлении.Микрожидкостные каналы по обе стороны от области клетки служат моделями кровеносных сосудов, имитируя обмен путем диффузии питательных веществ и лекарств с тканями человека. В будущем эта установка также может позволить исследователям контролировать удаление продуктов метаболизма из клеток.
«Эта система — не простая клеточная культура, в которой ткань омывается статической ванной с жидкостью», — сказал ведущий автор исследования Анураг Матур, научный сотрудник лаборатории Хили и научный сотрудник Калифорнийского института регенеративной медицины. «Мы разработали эту систему так, чтобы она была динамичной; она воспроизводит то, как ткани нашего тела фактически подвергаются воздействию питательных веществ и лекарств».В течение 24 часов после того, как клетки сердца были загружены в камеру, они начали биться сами по себе с нормальной физиологической скоростью от 55 до 80 ударов в минуту.Исследователи проверили систему, наблюдая за реакцией сердечных клеток на четыре хорошо известных сердечно-сосудистых препарата: изопротеренол, E-4031, верапамил и метопролол. Они использовали изменения частоты сердечных сокращений, чтобы измерить реакцию на соединения.
Базовая частота сердечных сокращений постоянно находилась в пределах от 55 до 80 ударов в минуту, что считается нормальным для взрослых людей.
Они обнаружили, что реакция после воздействия наркотиков была предсказуемой. Например, после получасового воздействия изопротеренола, препарата, применяемого для лечения брадикардии (замедленного сердцебиения), частота сердечных сокращений увеличилась с 55 до 124 ударов в минуту.
Исследователи отметили, что их «сердце на чипе» можно адаптировать для моделирования генетических заболеваний человека или для проверки реакции человека на лекарства. Они также изучают, можно ли использовать эту систему для моделирования взаимодействий между органами. Стандартный планшет для тканевых культур потенциально может содержать сотни микрофизиологических систем культивирования клеток.
«Связывание ткани сердца и печени позволит нам определить, может ли лекарство, которое изначально хорошо работает в сердце, впоследствии метаболизироваться в печени токсичным образом», — сказал Хили.Сконструированная сердечная ткань оставалась жизнеспособной и функциональной в течение нескольких недель.
По словам Хили, с учетом того времени его можно будет использовать для тестирования различных лекарств.