Исследователи от Института Wyss Биологически Вдохновленной Разработки в Гарвардском университете, Медицинской школе Гарварда и Детской больнице Бостон создали устройство, подражающее проживанию, вдыхая человеческое легкое на чипе. Устройство, о размере резиновой резинки, действует во многом как легкое в человеческом теле и сделано с помощью человеческих клеток легкого и кровеносного сосуда.Поскольку устройство легкого является просвечивающим, оно обеспечивает окно во внутренние работы человеческого легкого, не имея необходимость вторгаться в живой организм.
Это имеет потенциал, чтобы быть ценным инструментом для тестирования эффектов экологических токсинов, поглощения аэрозольной терапии и безопасности и эффективности новых препаратов. Такой инструмент может помочь ускорить фармацевтическое развитие путем сокращения уверенности в текущих моделях, в которых тестирование единственного вещества может стоить больше чем $2 миллионов.«Способность легкого на устройстве чипа, чтобы предсказать поглощение воздушнокапельных наночастиц и подражать воспалительной реакции, вызванной микробными инфекционными агентами, обеспечивает доказательство принципа для понятия, что органы на жареном картофеле могли заменить много исследований на животных в будущем», говорит Дональд Ингбер, ведущий автор на исследовании и директор-основатель Института Wyss Гарварда.
Бумага появляется в проблеме 25 июня Науки.Комната, чтобы дышатьДо сих пор спроектированные тканью микросистемы были ограничены или механически или биологически, говорит Ингбер, который является также преподавателем Джуды Фолкмена сосудистой Биологии в Медицинской школе Гарварда и Детской больнице Бостон. «Мы действительно не можем понять, как биология работает, если мы не помещаем ее в физический контекст реальных живых клеток, тканей и органов».С каждым человеческим дыханием воздух входит в легкие, микроскопические воздушные мешки заполнений, названные альвеолами и кислородом передач через тонкую, гибкую, проницаемую мембрану клеток легкого в кровоток.
Это – эта мембрана – слойная на трех внутренняя поверхность клеток легкого, проницаемый внеклеточный матричный и капиллярный кровеносный сосуд клетки – который делает тяжелый подъем легкого. К тому же, эта внутренняя поверхность крови легкого признает захватчиков, таких как вдохнувшие бактерии или токсины и активирует иммунную реакцию.
Легкое на микроустройстве чипа проявляет новый подход к разработке ткани путем размещения двух слоев живых тканей – покров воздушных мешков легкого и кровеносных сосудов, окружающих их – через пористую, гибкую границу. Воздух поставляется легкому подкладочные клетки, богатая питательная среда течет в капиллярном канале, чтобы подражать крови, и циклическое механическое протяжение подражает дыханию. Устройство было создано с помощью новой стратегии микроконфабуляции, использующей ясные эластичные материалы.
Стратегия была введена впервые другим преподавателем ядра Wyss, Джорджем Уайтсайдсом, Профессором университета Вудфорда Л. и Энн А. Флауэрс в Гарвардском университете.«Мы вдохнулись тем, как дыхание работ в человеческом легком посредством создания вакуума, создающегося, когда наша грудь расширяется, который сосет воздух в легкое и заставляет воздушные стены мешка простираться», говорит первый автор Дэн Хух, коллега разработки технологий Wyss в Институте. «Наше использование вакуума, чтобы подражать этому в нашей микроспроектированной системе основывалось на принципах разработки от природы».Чтобы определить, как хорошо устройство тиражирует естественные реакции живущих легких к стимулам, исследователи проверили его реакцию на вдохнувшие живущие бактерии E. coli.
Они ввели бактерии в воздухопропускную канавку на стороне легкого устройства и одновременно текли лейкоциты через канал на стороне кровеносного сосуда. Клетки легкого обнаружили бактерии и, через пористую мембрану, активировали клетки кровеносного сосуда, в свою очередь вызвавшие иммунную реакцию, в конечном счете заставившую лейкоциты двигаться в воздушную камеру и уничтожать бактерии.
«Способность воссоздать реалистично и механические и биологические стороны в естественных условиях монета является захватывающими инновациями», говорит Рустем Исмагилов, преподаватель химии в Чикагском университете, специализирующийся на биохимических микрожидких системах.Команда следовала за этим экспериментом с «реальным применением устройства», говорит Ха. Они ввели множество наночешуйчатых частиц (миллимикрон является миллионным из метра) в воздушный канал мешка.
Некоторые из этих частиц существуют в коммерческих продуктах; другие найдены в загрязнении воздуха и загрязнении воды. Несколько типов этих наночастиц вошли в клетки легкого и заставили клетки повышенно продуцировать свободные радикалы и вызывать воспаление.
Многие частицы прошли через легкое модели в канал крови, и следователи обнаружили что механическое дыхание значительно расширенного поглощения наночастицы. Бенджамин Мэтьюс, доцент Медицинской школы Гарварда в Сосудистой Программе Биологии в Детской больнице Бостон, проверил эти новые результаты исследования у мышей.
«Самое главное мы узнали из этой модели, что акт дыхания увеличивает поглощение наночастицы и что это также играет важную роль в стимулировании токсичности этих наночастиц», Ха говорит.Органы на жареном картофеле«Это легкое на чипе является крупным рогатым скотом и сливает много технологий инновационным способом», говорит Роберт Лангер, преподаватель Института MIT. «Я думаю, что это должно быть полезно в тестировании безопасности различных веществ на легком, и я могу также вообразить другие связанные заявления, такой как в исследовании того, как легкое функционирует».По словам Исмагилова, слишком рано, чтобы предсказать, насколько успешный эта область исследования будет.
Однако, «потенциал, чтобы использовать клетки человека при резюмировании сложных механических особенностей и химических микросред органа мог обеспечить действительно революционное изменение парадигмы в изобретении лекарства», говорит он.Следователи еще не продемонстрировали, что способность системы подражать газовому обмену между воздушным мешком и кровотоком, ключевой функцией легких, но, говорит Ха, они исследуют это теперь.Команда Института Wyss также работает, чтобы построить другие модели органа, такие как пищеварительный тракт на чипе, а также костный мозг и даже модели рака. Далее, они исследуют потенциал для объединения органных систем.
Например, Ingber сотрудничает с Кевином Китом Паркером, адъюнкт-профессором в Школе Гарвардского университета Технических и прикладных наук и другого преподавателя ядра Wyss, создавшего бьющееся сердце на чипе. Они надеются связать легкое дыхания на чипе к бьющемуся сердцу на чипе.
Спроектированная комбинация органа могла использоваться, чтобы проверить вдохнувшие препараты и идентифицировать новую и более эффективную терапию, которые испытывают недостаток в неблагоприятных кардиальных побочных эффектах.Это исследование финансировалось Национальные Институты Здоровья, американская Сердечная Ассоциация и Институт Wyss Биологически Вдохновленной Разработки в Гарвардском университете.
Написанный Элизабет ДоэртиЦитата:Наука, 25 июня 2010, Vol 328, кончится 5986«Воссоздание функций легкого уровня органа на чипе»
Dongeun ха, Бенджамин Д, Мэтьюс, Акико Мэммото, Мартин Монтоя-Завала, Хун Юань Хсинь, Дональд Э. ИнгберИсточник: медицинская школа Гарварда