Американские ученые разработали искусственный бронх с живыми человеческими клетками для изучения эффектов курения обычных и электронных сигарет. С его помощью удалось получить новую информацию об этих эффектах и связанного с ними развития хронической об структивной болезни легких (ХОБЛ). Результаты работы опубликованы в журнале Cell Systems.

ХОБЛ — это заболевание, при котором из-за хронического воспаления слизистой оболочки бронхов и бронхоспазма сужается их просвет, повышается продукция вязкой мокроты и нарушается ее выведение. Это приводит к одышке, постепенному развитию эмфиземы легких (патологического перерастяжения альвеол) и прогрессирующей дыхательной недостаточности. ХОБЛ занимает третье место в списке причин смерти людей (после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний). Главным фактором риска этой болезни служит курение, поэтому изучение воздействия табачного дыма на эпителий бронхов крайне важно для понимания механизмов ее развития. Также требуют исследования эффекты набирающих популярность электронных сигарет. При этом изучать ответ бронхов на сигаретный дым или пар у человека затруднительно из-за большой разницы между пациентами, а у дышащих носом лабораторных животных его воспроизвести невозможно. К настоящему времени создано несколько устройств с клеточными культурами бронхиального эпителия, однако они не воспроизводят дыхательные движения, доставляющие сигаретный дым в бронхи.

Сотрудники Гарвардского университета разработали «бронх-на-чипе», который умеет «курить». Он состоит из нескольких интегрированных компонентов. Первый из них представляет собой микрожидкостное устройство с горизонтальной пористой мембраной, разделяющей микроканал для питательной жидкости и просвет для «дыхания». Мембрану в различных экспериментах заселяют клетками бронхиального эпителия здоровых людей и пациентов с ХОБЛ. Программируемый микрореспиратор с заданной частотой «вдохов» и «выдохов» пропускает через просвет устройства сигаретный дым или пар, выработанный специально разработанным генератором, который «затягивается» обычной или электронной сигаретой. Геометрия устройства подобрана таким образом, чтобы воспроизводить бронхи 8–16 порядков, которые наиболее чувствительны к действию дыма и играющие наибольшую роль в развитии ХОБЛ.

Компоненты устройства и их соответствие действиям курильщика. Kambez H. Benam et al., Cell Systems, 2016

Когда исследователи действовали на клетки здорового человека сигаретным дымом в стандартизованном режиме курения (12 вдохов в минуту, 12затяжек на сигарету, время затяжки — две секунды, перерыв между ними — 22 секунды), выяснилось, что в этих клетках в 15 раз увеличилась экспрессия антиоксидантного гена HMOX1 (гемоксигеназы 1), что свидетельствует об окислительном стрессе. Полногеномное исследование выявило изменения экспрессии 335генов, наиболее выраженные из которых касались AKR1B10 (альдокеторедуктазы B10семейства 1), а также CYP1B1 и CYP1A1 из семейства цитохромов, что соответствует результатам клинических наблюдений.

Также наблюдались значительные нарушения в работе ресничек эпителия, слаженные движения которых обеспечивают выведение мокроты. Под действием дыма уровень несогласованности этих движений возрос четырехкратно.

«Курение» электронных сигарет подобных эффектов непроизводило.

Эксперименты с эпителием пациентов с ХОБЛ показали, что табачный дым существенно повышает выработку медиатора воспаления интерлейкина-8, чего не наблюдается в здоровых клетках. Полногеномный анализ выявил изменения экспрессии 276 генов, из которых лишь 129 совпадали с реакцией нормальног оэпителия. 10 наиболее значимых генов (показаны на рисунке), по мнению исследователей, служат потенциальными специфичными биомаркерами ХОБЛ.

Гены — потенциальные биомаркеры ХОБЛ и кратность изменения их экспрессии. Kambez H. Benam et al., Cell Systems, 2016

По результатам экспериментов разработчики заключили, что их устройство может служить инструментом для исследований эффектов обычных и электронных сигарет в норме и при патологии, а также для доклинических испытаний лекарств.

«Такой вид анализа может послужить для выявления новых биомаркеров и мишеней для лекарств, а также, возможно, для разработки персонализированного лечения ХОБЛ», — отметилодин из авторов работы Камбез Бенам (Kambez Benam).

Технологии «органов-на-чипе» для проведения различных исследований набирают все большую популярность. Недавно гарвардские разработчики представили напечатанную на 3D-принтересердечную мышцу, которая регистрирует собственные сокращения, а тайваньские ученые создали универсальную платформу для создания гидрогелевых искусственных органов, управление которой напоминает игру в тетрис. «Орган-на-чипе» для испытаний лекарств разработан и в России. О том, как создаются искусственные органы, можно почитать в нашем материале.

Автор: Олег Лищук