Специализированная лаборатория Центра исследований биомедицинской инженерии ARTORG при Бернском университете, возглавляемая Оливье Гена, уже более 10 лет разрабатывает новое поколение моделей in-vitro, называемых «органы на кристалле», с упором на моделирование легкого и его заболеваний. После первой успешной системы легкое на чипе, демонстрирующей основные характеристики легкого, лаборатория Organs-on-Chip (OOC) Technologies разработала чисто биологическое легкое на чипе нового поколения в сотрудничестве с Центром инфекций им. Гельмгольца. Исследования в Германии и отделения торакальной хирургии и пневмологии в Inselspital.
Полностью биоразлагаемый воздушный барьер в натуральную величину
Полин Зампрогно, которая разработала новую модель для своей докторской диссертации в OOC, резюмирует ее характеристики: «Новое легкое на чипе воспроизводит массив альвеол с размерами, подобными in vivo. Он основан на тонкой растягивающейся мембране, состоящей из молекул, естественным образом содержащихся в легких: коллагена и эластина.
Мембрана стабильна, ее можно культивировать с обеих сторон в течение нескольких недель, она биоразлагаема, а ее эластичные свойства позволяют имитировать дыхательные движения путем механического растяжения клеток."
В отличие от первого поколения, которое также было построено командой Оливье Гена, разработанная система воспроизводит ключевые аспекты внеклеточного матрикса легких (ЕСМ): его состав (клеточная поддержка состоит из белков ЕСМ), его структуру (массив альвеол с размером, аналогичным найденным in vivo + структура волокна) и его свойствам (биоразлагаемость, ключевой аспект исследования ремоделирования барьера при заболеваниях легких, таких как IPF или ХОБЛ). Кроме того, процесс изготовления прост и менее громоздок, чем у полидиметилсилоксановой растяжимой пористой мембраны из легкого на чипе первого поколения.
Широкий потенциал клинического применения
Клетки, которые будут культивироваться на новом чипе для исследований, в настоящее время получают от онкологических больных, перенесших резекцию легких в отделении торакальной хирургии Inselspital. Заведующий отделением Ральф Шмид видит в системе двойное преимущество: «Второе поколение легкого на чипе может быть засеяно как здоровыми, так и больными альвеолярными клетками легких. Это дает врачам как лучшее понимание физиологии легких, так и инструмент прогнозирования для скрининга лекарств и, возможно, также для точной медицины, определяя конкретную терапию с наибольшим потенциалом помощи конкретному пациенту."
«Такие мембраны имеют широкое применение: от фундаментальных научных исследований функций и патологий легких до выявления новых путей и более эффективного открытия потенциальных новых методов лечения», – говорит Томас Гейзер, глава отделения пневмологии в больнице Inselspital и Директор по обучению и исследованиям Insel Gruppe.
Мощная альтернатива моделям на животных в исследованиях
Дополнительным плюсом является то, что новое «легкое на чипе» может снизить потребность в пневмологических исследованиях на животных моделях. «Многие многообещающие кандидаты в лекарства, успешно протестированные на доклинических моделях на грызунах, потерпели неудачу при тестировании на людях из-за различий между видами и выраженности заболевания легких», – объясняет Оливье Гена. «Вот почему в долгосрочной перспективе мы стремимся сократить количество испытаний на животных и предоставить более подходящие для пациентов системы для скрининга лекарств с возможностью адаптации моделей к конкретным пациентам (путем засеивания органов на чипе их собственными клетками)."
Новое биологическое легкое на чипе будет доработано Полин Зампрогно и ее коллегами из группы OOC Technologies, чтобы имитировать легкое с идиопатическим фиброзом легких (IPF), хроническим заболеванием легких, приводящим к прогрессирующему рубцеванию легочной ткани внутри. в рамках исследовательского проекта, финансируемого Швейцарским центром компетенции 3R (3RCC). «Мой новый проект заключается в разработке модели IPF-on-chip на основе биологической мембраны. До сих пор мы разработали здоровый барьер между воздухом и кровью.
Пришло время использовать его для исследования настоящего биологического вопроса », – говорит Зампрогно.
Исследовательская группа "Органы-на-чипе" Центра АРТОРГ
Эта специализированная группа Центра исследований биомедицинской инженерии ARTORG разрабатывает органы на кристалле, уделяя особое внимание легкому и его заболеваниям, в сотрудничестве с отделениями легочной медицины и торакальной хирургии Inselspital.
Группа объединяет инженерное дело, в частности микрофлюидику и микротехнологию, методы клеточной биологии и тканевой инженерии, материаловедение и медицину.
Их первая разработка дыхательного легкого на чипе получила дальнейшее развитие в сотрудничестве со стартапом AlevoliX с целью произвести революцию в доклинических исследованиях. Недавно группа разработала полностью биологическое легкое на чипе второго поколения, сфокусированное на воссоздании воздушно-гематологического барьера легких.
Второе направление исследований направлено на разработку функционального микроциркуляторного русла легких. Здесь эндотелиальные клетки легких засеваются в микротехническую среду, где они самоорганизуются, чтобы построить сеть перфузионных и сократительных микрососудов диаметром всего несколько десятков микрометров.
Наряду с фармацевтическими применениями, органы на кристалле рассматриваются как имеющие потенциал для использования в прецизионной медицине для тестирования собственных клеток пациента с целью выбора наилучшей терапии. Кроме того, такие системы обладают значительным потенциалом для сокращения количества испытаний на животных в медицинских и медико-биологических исследованиях.
Группа OOC управляет лабораторией «Органы на кристалле», предоставляя ученым из Университета Берна, Университетской клиники Берна и не только инфраструктуру и оборудование для производства микрофлюидных устройств и тестирования органов на кристаллах.