Кишечник-на-чипе или новый уровень моделирования органов in vitro⁠⁠

Исследование течения болезни и тестирование новых лекарств in vivo (на живых объектах) весьма проблематично и часто не соответствует этическим нормам. В настоящее время уже существует технология выращивания из стволовых клеток трёхмерных структур, имитирующих ткани организма. Эти, можно сказать, «зачатки» искусственных органов называются органоидами (не стоит путать с клеточными органеллами). Минус таких структур в том, что они не отражают реальной функциональности тканей, так как не учитывают их окружение. Справиться с этой проблемой помогло активное развитие микрофлюиндных технологий, основанных на манипуляции с малыми объёмами жидкости в микроразмерных пространствах. Эти микрофлюдные технологии и методы формирования клеточных 3d-структур как раз и лежат в основе органов-на-чипе (Organ-on-a-chip) - небольших устройств, состоящих из камер и каналов, на которых находятся клеточные структуры, воспроизводящие строение ткани органа. Главное преимущество органа-на-чипе в том, что с его помощью можно изучать конкретные процессы настраивая условия их протекания. Уже созданы сердце-на-чипе, лёгкое-на-чипе, почка-на-чипе и многое другое. Мы же рассмотрим пример создания кишечника-на-чипе (intestine-on-a-chip).

Рис. 1. Ключевые аспекты микроокружения кишечника. (Источник: Intestine-on-a-chip: Next level in vitro research model of the human intestine - ScienceDirect)

Пищеварительная среда имеет определенную кислотность и ферментный состав, она ограничена защитным эпителиальным барьером, включающем в себя клетки выполняющие функции усвоения питательных веществ, их транспортировки, выработки слизи и секреции гормонов. Кроме того, в стенке толстого кишечника присутствует большое сообщество микроорганизмов, вносящих свой вклад в метаболизм. Эти и другие важные факторы следует учитывать при изготовлении модели кишечника (рис. 1).

Первые конструкции устройств кишечника-на-чипе состояли из двух полимерных камер, разделенных полупроницаемой мембраной, на которой были посеяны эпителиальные клетки. Одна камера выполняла роль просвета кишечника, а другая внутритканевое пространство позади эпителия. Такой проект позволял в упрощенном варианте демонстрировать мембранный транспорт через кишечный эпителий.

Последующие же модели кишечника-на-чипе были сосредоточены на включение большего количество факторов, позволяющих более точно воспроизводить функцию кишечника. Например, были добавлены структура ворсинок, имитация перистальтических движений, выработка слизи, энзимная активность, микрофлора кишечника и т.д. (рис.2). Тем не менее, в большинстве моделях воспроизводится только кишечный эпителий из-за чего пропускается широкий спектр других типов клеток, таких как клетки иммунной и соединительной тканей. Однако уже сейчас есть работы, где на одном чипе присутствуют взаимодействующие друг с другом клетки кишечника, печени и циркулирующие иммунные клетки. Так что создание сложной системы взаимодействующих друг с другом тканей и органов потенциально возможно, и сейчас это направление активно развивается.

Рис.2. Модели intestine-on-a-chip на основе клеток и тканей. (Источник: Intestine-on-a-chip: Next level in vitro research model of the human intestine - ScienceDirect))

Таким образом, кишечник-на-чипе, благодаря имитации кишечной архитектуры и окружения, является перспективным подходом для изучения функций и патологий кишечника. Новые разработки в этой области могут стать основой для развития точной медицины на основе персонализированных моделей кишечника на чипе. При этом подходе для создания чипа будет использоваться биопсия крови и кишечной ткани со специфическими для пациента иммунными, сосудистыми и кишечными клетками в совместной культуре с микробиомом (рис.3).

Рис.3. Точная медицина на основе персонализированных моделей кишечника на чипе. (Источник: Intestine-on-a-chip: Next level in vitro research model of the human intestine - ScienceDirect)

Источники:

• Joanne M.Donkers, Hossein Eslami Amirabadi, Evitavan de Steeg. Intestine-on-a-chip: Next level in vitro research model of the human intestine// Current Opinion in Toxicology. Volume 25, March 2021, Pages 6-14

• Афоничева П. К., Буляница А. Л., Евстрапов А. А. "Орган-на-чипе" - материалы и методы изготовления (обзор) // НП, 2019, том 29, №4, с. 3-18