Ваша личная копия легких, только маленькая и на чипе. Будущее медицины, которое уже наступило

Впервые исследователям удалось собрать «дышащее» мини легкое на чипе из клеток одного конкретного человека. По задумке это должно приблизить лабораторные эксперименты к реальной биологии пациента и помочь точнее подбирать лечение, в том числе при туберкулезе, одной из самых коварных инфекций дыхательных путей.

О разработке 1 января сообщили ученые из лондонского Института Фрэнсиса Крика вместе со швейцарской компанией AlveoliX. Их модель относится к классу organ-on-chip, это небольшая пластиковая система, внутри которой выращивают ткани, имитирующие работу органов. В данном случае воссозданы альвеолы, те самые «воздушные мешочки» легких, где происходит газообмен и где часто начинается инфекция.

Главная проблема прежних «легких на чипе» была в том, что их собирали из клеток разного происхождения. В итоге модель получалась удобной для опытов, но плохо отражала биологию конкретного человека. Теперь команда решила это ограничение с помощью индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC): из материала одного донора сформировали генетически одинаковый набор клеток, то есть мини экосистему, полностью соответствующую одному генотипу.

У системы есть еще одна важная деталь: она действительно «дышит». Платформа AlveoliX ритмично растягивает ткань в трех измерениях, имитируя расширение легких при вдохе. Такое механическое напряжение, по словам авторов, критично для правильного развития клеток. Без него они не формируют микроворсинки, микроскопические структуры, которые важны для нормальной работы ткани.

Чтобы смоделировать туберкулез, исследователи добавили в чип иммунные клетки, совместимые с донором (макрофаги), и внесли бактерии Mycobacterium tuberculosis. Так удалось наблюдать самые ранние этапы инфекции в «чистом» генетическом контексте, без примесей клеток от других людей. Команда, в частности, увидела появление некротических «ядер», скоплений погибших иммунных клеток, примерно за пять дней до того, как защитный барьер ткани полностью разрушался.

Авторы подчеркивают, что такие модели становятся все важнее на фоне растущего спроса на альтернативы экспериментам на животных. Животные модели часто дают искажения: у мышей другое строение дыхательных путей, иной состав иммунных клеток и иной ход болезни, поэтому результаты не всегда напрямую переносятся на человека. «Легкое на чипе» из клеток одного донора, напротив, позволяет проверять, как именно организм конкретного пациента реагирует на инфекцию и на лекарства, включая антибиотики. Теоретически это открывает путь и к исследованиям людей с определенными генетическими мутациями, чтобы заранее понимать риски и подбирать терапию точнее.

Пока демонстрация сделана на примере туберкулеза, но разработчики уже рассматривают и другие задачи, от гриппа и COVID-19 до рака легких. Работа опубликована в журнале Science Advances.