В частности, устройство можно было бы использовать для разработки безопасных и эффективных стратегий предотвращения или лечения летального воздействия радиации на костный мозг, не прибегая к испытаниям на животных, и эта задача решается в Институте при финансовой поддержке Соединенного Королевства.S. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). В первоначальном тесте искусственно созданный костный мозг, как человеческий мозг, засыхал в ответ на радиацию, если только не присутствовал лекарственный препарат, предотвращающий радиационное отравление.
Костный мозг-на-чипе также может быть использован в будущем для временного поддержания собственного костного мозга больного раком, пока он или она проходят лечение, повреждающее костный мозг, такое как лучевая терапия или высокодозная химиотерапия.
«Костный мозг — невероятно сложный орган, который отвечает за производство всех типов клеток крови нашего тела, и наши чипы костного мозга способны полностью воспроизвести эту сложность и поддерживать ее в функциональной форме in vitro», — сказал Дон. Ингбер, М.D., Ph.D., Директор-основатель Института Висса, профессор биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы Джуда Фолкман, профессор биоинженерии SEAS и старший автор статьи.
Ингбер возглавляет большую работу по разработке человеческих органов на чипах — небольших микрофлюидных устройств, имитирующих физиологию живого оргазма.
На данный момент команды Wyss Institute создали микросхемы легких, сердца, почек и кишечника, которые воспроизводят ключевые аспекты функции органов, и у них есть больше органов на чипах в работе. Эта технология получила международное признание благодаря своему потенциалу заменить испытания на животных новых лекарств и токсинов из окружающей среды, а также как новый способ для ученых моделировать болезни человека.
Чтобы создать чипы для органов, в прошлом команды Wyss объединяли несколько типов клеток из органа на микрожидкостном чипе, непрерывно поставляя питательные вещества, удаляя отходы и применяя механические силы, с которыми ткани будут сталкиваться в организме.
Но костный мозг настолько сложен, что им потребовался новый подход к имитации функции органов.
Эта сложность возникает из-за того, что костный мозг неразрывно связан с костью. Костный мозг находится внутри губчатой кости — твердого вида кости с пористой, сотовой внутренней частью.
Условия в сотах различаются: в некоторых областях теплее, в некоторых прохладнее; некоторые из них богаты кислородом, другие испытывают кислородный голод — и у каждого десятка или около того типов клеток есть свои предпочтительные места. Чтобы добавить сложности, клетки костного мозга взаимодействуют друг с другом, секретируя и воспринимая различные биомолекулы, которые действуют локально, сообщая им, жить ли им, умирать, специализироваться или размножаться.
Вместо того, чтобы пытаться воспроизвести такую сложную структуру клетка за клеткой, исследователи привлекли для этого мышей.
«Мы подумали, почему бы не позволить матери-природе помочь нам построить то, что она уже умеет строить», — сказала Кэтрин С. Спина, М.D.-Ph.D. кандидат Бостонского университета, исследователь Института Висса и соавтор статьи.
В частности, научный сотрудник Института Висс Ю-суке Торисава и Спина упаковали высушенный костный порошок в открытую кольцеобразную форму размером с батарею монет и имплантировали форму под кожу на спине животного.
Через восемь недель они хирургическим путем удалили дискообразную кость, образовавшуюся в форме, и исследовали ее с помощью специализированного компьютерного томографа. Сканирование показало структуру, похожую на соты, которая выглядела идентично натуральной губчатой кости.
Костный мозг тоже выглядел как настоящий. Когда они окрашивали ткань и исследовали ее под микроскопом, костный мозг был забит клетками крови, как костный мозг живой мыши. И когда исследователи отсортировали клетки костного мозга по типу и подсчитали их количество, смесь различных типов крови и иммунных клеток в искусственном костном мозге была идентична той, что была в бедренной кости мыши.
Чтобы поддерживать искусственно созданный костный мозг за пределами живого животного, исследователи хирургическим путем удалили искусственно созданную кость у мышей, а затем поместили ее в микрофлюидное устройство, которое постоянно доставляло питательные вещества и удаляло отходы, чтобы имитировать кровообращение, которое ткани будут испытывать в организме.
Костный мозг в устройстве оставался здоровым до одной недели — обычно достаточно долго, чтобы проверить токсичность и эффективность нового лекарства.
Устройство также прошло первоначальное испытание на возможность тестирования на наркотики. Подобно костному мозгу живых мышей, этот сконструированный костный мозг также был восприимчив к радиации, но одобренный FDA препарат, который защищает облученных пациентов, также защищает костный мозг на чипе.
В будущем исследователи потенциально смогут выращивать человеческий костный мозг у мышей с иммунодефицитом. «Это можно превратить в простую в использовании систему на основе скрининга, которая будет персонализирована для отдельных пациентов», — сказал соавтор Джеймс Коллинз, доктор философии.D., член основного факультета Института Висса и Университета Уильяма Ф. Уоррен заслуженный профессор Бостонского университета, где он возглавляет Центр синтетической биологии.
Костный мозг на чипе также может генерировать клетки крови, которые могут циркулировать в искусственной системе кровообращения для обеспечения сети других органов на чипе.
Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) также в настоящее время предоставляет средства Институту Висса для разработки взаимосвязанной сети из десяти органов на чипах для изучения сложной физиологии человека вне тела.
