На прозорому полімерному чіпі, м’якому і еластичному, як желейне ведмедик, був розроблений мікроскопічний легеневий орган, який розширюється, циркулює і захищається, як живий орган.
Анкур Сінгх, директор Центру імунної інженерії Технологічного університету Джорджії, висловив захоплення, спостерігаючи, як імунні клітини рухаються через чіп. Сінгх спільно керував дослідженням з Кришнендою “Кріш” Роєм, колишнім професором-регентом і директором Центру технологій виробництва клітин NSF в Технологічному університеті Джорджії, який зараз є деканом інженерного факультету та видатним професором університету Вандербільт.
Сінгх зазначив: “Це був момент ‘вау’. Це був перший раз, коли ми відчули, що маємо щось близьке до справжнього людського легкого.”
Платформи легенів на чіпі надають дослідникам уявлення про поведінку органів. Ці чіпи приблизно розміром з поштову марку, з крихітними каналами, вистеленими живими людськими клітинами. Інновація Роя і Сінгха полягала в інтеграції функціонуючої імунної системи, що перетворює чіп на справжню модель того, як легені борються з хворобами.
Цей прогрес дозволяє дослідникам спостерігати, як легені реагують на загрози, як поширюється запалення і як починається загоєння.
Для мільйонів людей, які страждають від легеневих захворювань, щоденні справи можуть бути складними, включаючи підйом по сходах, носіння продуктів або навіть сміх. Лікарі та вчені десятиліттями намагалися зрозуміти складнощі крихких легень.
“Ця унікальна модель легені на чіпі відкриває нові, доклінічні шляхи відкриттів, які дозволять дослідникам краще зрозуміти взаємодію імунних відповідей на серйозні вірусні інфекції та оцінити критично важливі противірусні лікування,” заявив Рой.
Сінгх, професор у Школі механічної інженерії імені Джорджа В. Вудраффа з спільною посадою в кафедрі біомедичної інженерії, поділився, що це дослідження є особисто важливим для нього, оскільки він втратив дядька, коли інфекція перевантажила його ослаблену ракому імунну систему.
“Цей досвід залишається з тобою,” сказав Сінгх. “Це змусило мене захотіти створити системи, які могли б передбачити і запобігти таким наслідкам, щоб менше сімей проходило через те, що пройшла моя. Я постійно думаю про свого дядька. Якщо така робота означає, що менше сімей втрачає когось, кого вони люблять, то це варте всього.”
Ця мотивація спонукала команду переосмислити можливості легені на чіпі, що призвело до значних проривів.
Ключовий момент настав, коли команда Роя і Сінгха спостерігала через мікроскоп, як кров’яні та імунні клітини рухаються через крихітні судиноподібні структури, ведучи себе так, як вони роблять у живих легенях.
Дослідники раніше стикалися з труднощами в інтеграції імунітету в системи органів на чіпі, оскільки імунні клітини часто швидко гинули або не взаємодіяли з тканиною так, як це роблять у людей. Команда вирішила цю проблему, створивши чіп, на якому імунні клітини могли виживати і координувати захист.
“Це був дивовижний момент прориву,” зауважив Сінгх.
Справжнє випробування моделі відбулося, коли команда ввела важку інфекцію вірусу грипу. Легеня продемонструвала імунну відповідь, яка близько нагадувала те, що спостерігається у пацієнтів. Імунні клітини перемістилися до місця інфекції, запалення поширилося через тканину, і захист активувався у відповідь.
“Тоді ми зрозуміли, що це не просто модель,” заявив Сінгх. “Вона захоплювала справжню біологію хвороби.”
Дослідження Сінгха і Роя опубліковане в журналі Nature Biomedical Engineering.
Протягом десятиліть дослідження легень покладалося на тваринні моделі, але ці моделі не відображають точно людські реакції, такі як астма у дітей.
“П’ять мишей у клітці можуть реагувати однаково, але п’ять людей не будуть,” пояснив Сінгх. “Наш чіп може відобразити цю різницю. Ось чому він є більш точним і чому це може значно зменшити потребу в тваринних моделях.”
Рой підкреслив потенціал цього дослідження.
“Стратегічне бачення Управління з контролю за продуктами і ліками щодо зменшення тестування на тваринах і розробки прогностичних моделей без тварин ідеально узгоджується з нашою роботою. Цей пристрій йде далі, ніж будь-коли раніше, в моделюванні людського важкого грипу і наданні безпрецедентних уявлень про складну імунну відповідь легень,” сказав він.
Початкова увага до грипу очікується, що розшириться на ширший спектр захворювань. Рой і Сінгх вважають, що платформу можна використовувати для вивчення астми, муковісцидозу, раку легень і туберкульозу. Дослідники також працюють над інтеграцією імунних органів, щоб продемонструвати, як легені взаємодіють з захистом організму.
Довгострокова мета – персоналізована медицина, з чіпами, створеними з клітин пацієнта, щоб передбачити найбільш ефективну терапію. Хоча масштабування, клінічна валідація та регуляторне схвалення займе роки, Сінгх залишається оптимістом.
“Уявіть, що ви знаєте, яке лікування вам допоможе, перш ніж ви його приймете,” сказав Сінгх. “Ось куди ми прямуємо.”
Підтримка цього дослідження надійшла від Wellcome Leap, з додатковим фінансуванням від Національних інститутів охорони здоров’я, Фонду родини Карла Рінга та Фонду Маркуса. Рейчел Рінгквіст, аспірантка Роя, а тепер постдокторантка у Сінгха, очолила роботу в рамках своєї дисертації.
Джерело: Технологічний університет Джорджії