Новые лекарственные препараты можно тестировать на подопытных животных, можно на добровольцах из числа людей, но гораздо более удобно — и гуманно — использовать для этого клеточные модели. Однако и с ними не все просто: можно взять клетки определенного человеческого органа, а можно собрать клетки нескольких органов в единую систему, аналогичную живому организму, — с такой системой результат испытаний будет наиболее точным. Для его достижения и был разработан микробиореактор «Гомункулус», созданный совместно немецкими и российскими учеными. Мы обратились к декану факультета химической технологии и биотехнологии Московского политехнического университета Наталье Пульковой, чтобы узнать подробности о работе этого аппарата.

Прежде чем польза и безопасность нового лекарства будут доказаны, препарат проходит долгую череду тестов, и несколько фаз клинических испытаний на добровольцах — это только последние акты процесса, который обычно занимает не один год. Прежде чем начнутся проверки на людях, в дело идут подопытные животные: ежегодно в лабораториях используют более 115 миллионов мышей, крыс и представителей других видов. При этом животные выступают лишь приближенными моделями человеческого организма, позволяя изучать течение болезни или действие нового препарата без учета видоспецифичности.

Общий вид «Гомункулуса»: микрочип умещается в ладони. Константин Титов

Мы устроены очень похоже, но иногда воздействие на людей вещества, казалось бы, хорошо изученного на животных, оказывается совершенно неожиданным. Экспериментальный иммуномодулятор TGN1412, считавшийся перспективным средством от ревматоидного артрита и других заболеваний иммунной системы, хорошо продемонстрировал себя на мышах, но уже при первых испытаниях на людях вызвал у них острую аутоиммунную реакцию и привел к гибели нескольких добровольцев. Сегодня, когда в лаборатории можно выращивать изолированные культуры человеческих клеток, одним из этапов тестирования новых веществ стали доклинические испытания «в пробирке», in vitro. Оценить действие препарата на клетки сердечной мышцы или опасность загрязнений воздуха для легких, проверить реакцию нейронов на изменение температуры или гормонального профиля — все это возможно и без животных, и без людей.

В культуральные среды, в которых выращиваются линии человеческих клеток, добавляют специальный краситель, по оттенку которого можно контролировать pH среды. Константин Титов

Следующим шагом стали методы выращивания в лаборатории клеточных моделей органов и тканей человека в том же окружении, в каком они функционируют и в целом организме. При этом не слишком важно, сколько именно клеток насчитывают настоящие печень или сердце, — для тестов, как правило, достаточно лишь микроскопического аналога. Используя миниатюрные ячейки микробиореакторов, точно контролируя состав растворов, которые поступают к ним по микроканалам, и другие внешние факторы, можно уже с высокой степенью достоверности изучать все изменения, происходящие на клеточном уровне.

Научившись получать клеточные модели органов, стоит сделать следующий шаг и попробовать собрать из них — нет, еще не модель целого человека, но хотя бы набор из отдельных систем, работу которых мы хотим исследовать. «Пионерами в разработке технологий «человека-на-чипе» стали исследователи из Германии, которые развивают их уже больше десяти лет, в Техническом университете Берлина и в Институте Фраунгофера в Дрездене, — рассказала декан факультета химической технологии и биотехнологии Московского политехнического университета Наталья Пулькова. — Довольно быстро, в 2009 году, к работе немецких ученых подключилась и команда российской компании НТЦ «БиоКлиникум». Их сильная инженерная группа занялась созданием блока управления, который способен контролировать движение питательной среды». Московский Политех, партнер этого материала, тесно сотрудничает с научно-техническим центром «БиоКлиникум».

Наш собеседник, декан факультета химической технологии и биотехнологии Московского Политеха, кандидат биологических наук Наталья Пулькова, в прошлом старший научный сотрудник «БиоКлиникума», где и была разработана биотехнологическая платформа «Гомункулус» с возможностью получения упрощенных клеточных моделей органов и тканей в единой системе «человек-на-чипе». Константин Титов

Главным результатом партнерства биологов из Германии и российских инженеров стал микробиореактор «Гомункулус», позволяющий моделировать работу системы из шести, а в перспективе — и десяти разных клеточных моделей тканей и органов. Это система из двух одинаково важных компонентов, блока управления и «биочипа», в котором культивируются клетки.

«Биочип — не больше спичечного коробка, — продолжает Наталья Пулькова, — и, как сэндвич, сложен из нескольких слоев: на предметном стекле находится слой из силикона, в котором расположены микроканалы и ячейки для культивирования клеток. Наконец, верхний слой — это панель из оргстекла, придающая жесткость системе».

Ячейки связаны системой микроканалов, как кровеносными сосудами, течение жидкости в них контролируется ювелирной работой насосов и клапанов. Ячеек  может быть разное число, от двух до шести, в зависимости от конкретной задачи и, соответственно, разных клеток, которые требуется использовать. Такой микробиореактор позволяет собирать клеточного «гомункулуса» из отдельных компонентов, как из деталей конструктора, имитируя взаимодействия не только разных органов, но и разные способы введения препарата.

«Если, например, вещество вводится перорально, то оно всасывается в кровь через стенки кишечника, после чего метаболизируется в печени, а затем разносится по организму и воздействует на орган-мишень, — объясняет Пулькова. — Мы учимся моделировать работу всей этой системы, причем в «Гомункулусе», в отличие от аналогичных разработок, можно контролировать давление и частоту смены поступающей в биочип жидкости, имитируя циркуляцию кровотока».

Питательные среды для бактерий готовят к стерилизации. Константин Титов

Этому pH-индикатору посвящены бессмертные строки: «От щелочи я желт как в лихорадке/Я розовею от кислот, как от стыда/И я бросаюсь в воду без оглядки/Здесь я оранжевый практически всегда». Константин Титов

Последние поколения «Гомункулуса» могут оснащаться различными датчиками, индивидуальными для разных ячеек, системой можно управлять через удобный удаленный интерфейс, а обо всех важных событиях исследователь может получать даже сообщения по SMS. Параллельно этому немецкие биологи под руководством Уве Маркса (Uwe Marx) развивают методы культивирования «на чипе» клеток разных тканей — кишечника, печени, кожи, сердца, мозга, почек и легких.

«Например, клетки кишечника культивируют на специальной пористой мембране, что приводит к их поляризации подобно in vivo, — говорит Пулькова. — Конечно, биочип — это далеко не целый организм, но уже достаточно близок к нему».

Такие установки работают и в Германии, и в Новосибирском научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН, и в МГУ, где на них ведут фундаментальные исследования. «Гомункулус» сейчас установлен и у нас в Московском Политехе, — продолжает Пулькова. — Мы получили совместный грант с «БиоКлиникумом», на системе проходят обучение наши студенты по магистерской программе «Инжиниринг биофармацевтических препаратов». Тут есть над чем поработать, и работа продолжается. Например, над тем, чтобы обеспечить совместное культивирование разных типов клеток в многолуночном чипе в течение длительного времени. Дорабатывается и конструкция биочипа, инженеры добиваются большей автоматизации системы, работают над десятилуночными чипами».

Вряд ли в будущем понадобится более сложная платформа: по словам Натальи Пульковой, собирать «целого» «человека-на-чипе» нет никакой необходимости. Достаточно более или менее полно имитировать работу отдельных систем организма, которые важны для конкретных задач медицины, фармакологии, биологии и экологии. И если борцы за права животных всерьез меняют планы исследований на мышах и приматах, то судьба микроскопических «гомункулусов» на биочипах вряд ли кого-то обеспокоит. В конце концов, это всего лишь модель.

Автор: Роман Фишман