В 2009 году впервые были опубликованы данные о проведении успешного культивирования мини-органов человеческого происхождения, которые назывались органоидами.
Открытая 10 лет назад уникальная технология выращивания трехмерной культуры ткани позволила достичь больших результатов в области биомедицины за счет передовых методик как, например, система «орган на чипе» и персонализированная медицина. Современные технологии позволят в будущем совсем отказаться от проводимых на животных экспериментов.
Моделирование заболеваний посредством органоидной технологии
Органоиды представлены органоподобными структурами, культивируемыми в лабораторных условиях из стволовых клеток, которые получают от человека. Выделяются они путем биопсии тканей из клеток волосяного фолликула, фибробластов кожи. Последний подход выгодно отличается неинвазивностью для донора, потому что зрелые клетки перепрограммируются за счет генной инженерии, давая индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК).
Оганоиды относят к трехмерным органоподобным структурам, включающим различные типы клеток, организованных в физиологической архитектуре. Мини-органы человека чаще всего имеют размеры около полумиллиметра, характеризуются общими функциональными особенностями нативного органа, сохраняют фенотипические и генетические особенности донора. Соответственно, культивируются они из клеток, полученных от здорового человека или пациента с определенным заболеванием.
Предложенная стратегия позволяет создать революционную концепцию моделей заболеваний для проведения экспериментальных исследований в области биомедицины.
Мини-мозг получают от людей, страдающих болезнью Альцгеймера или Паркинсона. Органоиды поджелудочной железы - от больных диабетом, кишечника - от пациентов с хроническими заболеваниями этого органа. Трехмерные модели легких получаются от курильщиков, лиц с хронической обструктивной болезнью легких или астмой. Переоценить значимость данной модели, которая применяется уже на протяжении десятилетия, для биомедицины очень сложно.
В органоидах мозга, полученных из ИПСК человека, можно развивать опухоли головного мозга, если добавить в них клетки от больного раком мозга человека. Органоиды от пациентов с генетическим заболеванием сохраняют генетические мутации in vitro. Исправление имеющейся мутации посредством методов генной инженерии, например, CRISPR/Cas9, приводит к восстановлению нормального функционирования органоида.
Так, кишечные органоиды от здорового донора набухают при лечении веществом под названием цАМФ. Функциональный белок, который опосредует этот эффект, отсутствует у пациентов с муковисцидозом. В органоидах, полученных от данных пациентов, в эксперименте не наблюдалось вызванного цАМФ отека in vitro, хотя генетическая коррекция мутации восстановила правильный ответ.
Персонализированные лекарственные препараты сегодня уже доступны для больных раком. Органоиды выращиваются после биопсии опухоли. И на этих так называемых микропрепаратах тестируются медикаменты, чтобы определить самый эффективный способ лечения конкретного пациента.
Подобные технологии дают ценные сведения об особенностях болезни человека, позволяют эффективно исследовать лежащие в основе молекулярные механизмы и успешно разрабатывать терапевтическую тактику.
Признание провала времен экспериментов на животных
С недавних пор эксперты из ученых сообществ и практической медицины чаще стали критиковать эксперименты на животных для моделирования болезней. Абсолютно точно, что данные модели плохо отражают все процессы, происходящие в человеческом организме, например, при болезни Альцгеймера, сахарном диабете, раке.
Многие животные модели человеческих заболеваний, включая рак и болезнь Альцгеймера, генерируются с помощью генной инженерии. Определенные гены, которые отвечают за данные заболевания, по мнению ученых, вставляются в геном мышей, крыс и других подопытных животных. Вместо того, чтобы эффективным образом понимать болезнь и улучшать здоровье больного человека, подобная исследовательская стратегия дает огромное количество ложно положительных и ложно отрицательных результатов.
На протяжении последних десятилетий публиковалось немало статей, в которых указывалось, что злокачественное новообразование, диабет и другая патология были успешно побеждены на подопытных животных. Несмотря на имеющиеся истории благополучного излечения, человечество остается далеким от четкого понимания механизма распространенных недугов и эффективных способов их лечения.
Человек-на-чипе
Органоиды человека и другие трехмерные модели культивирования клеток являются наиболее перспективными и объективными подходами из всех имеющихся в настоящее время. В сочетании с технологией «орган на чипе» формируется надежная система, позволяющая всесторонне изучать проблемы, связанные со здоровьем человека.
Орган на чипе, еще называемый многоорганным чипом или микрофизиологической системой, представляет совокупность, включающую до 10 органоидов с биочипом. Модель подключена к микроперфузионной системе, имитирующей кровь и мочевыделительные пути.
Расположенные на чипе органы активны и взаимодействуют друг с другом через моделируемые цепи. Для тестирования лекарственных препаратов или проведения токсикологических исследований тестируемые компоненты могут доставляться во все органы чипа посредством перфузионной системы.
Микронасос, регулирующий скорость потока, а также элементы, регулирующие pH, подачу кислорода и другие жизненно важные параметры, тоже могут встраиваться в состав микросхемы. Физиологические эффекты лекарственного препарата или комбинация медикаментов изучается путем подробного анализа органоидов, помещенных на чип, а также посредством отбора экспериментальных образцов из смоделированных мочевыводящих путей и крови.
Орган на чипе для промышленных и нормативных целей
Система «орган на чипе» отличается многочисленными преимуществами при сравнении с экспериментами над животными. Помимо высокой степени достоверности получаемых результатов экспериментов, технология предлагает высокопроизводительный скрининг. Это более экономично с точки зрения затрат и времени и высоко ценится фармакологической промышленностью.
Кроме того, тестирование потенциальных кандидатов на лекарственные препараты через систему требует гораздо меньшего количества вещества. Производство новых соединений в фармакологической индустрии считается основной статьей затрат при разработке медикаментов.
Благодаря описанным преимуществам ряд крупных фармацевтических компаний поддерживает разработку моделей органоидов и «орган на чипе». Делаются серьезные финансовые вложения, налаживается сотрудничество с известными в мире исследовательскими институтами.
Степень безопасности человечества всегда стоит на первом месте, когда подвергаются оценке новые пищевые соединения, лекарственные препараты и другие товары из потребительской корзины. На протяжении многих лет Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США внедряло в жизнь самые разные проекты для исследования моделей человеческих органоидов и систем «орган на чипе».
В Евросоюзе эксперименты на животных были запрещены при проведении тестирования косметических препаратов. Продажа подобных товаров была запрещена в ЕС с 2014 года.
Европейский центр валидизации альтернативных методов несет ответственность за оценку in vitro методов оценки нормативного риска. Агентство уже одобрило несколько трехмерных моделей тканей человека для целей регулирования и на регулярной основе занимается оценкой новых систем in vitro для полной замены in vivo испытаний на животных. 3D-модели кожи, легких и человеческой роговицы имеются сегодня в продаже и проведенны их исследования на предмет безопасности.
Данные тканевые культуры генерируются из первичных клеток организма человека и очень правдоподобно имитируют нативный эпителий человеческого тела. Модели кожи могут иметь различное количество меланоцитов, представляющие разные этнические группы. Модели легких получены из нескольких отделов дыхательной системы человека, например, из бронхов, альвеолярного отростка.
Технология 3D биопечати позволяет точно и быстро генерировать подобные модели тканей человека. Искусственные кожные эквиваленты людей могут быть напечатаны с потрясающей точностью, с учетом васкуляризации, расположения волосяных фолликулов и потовых желез.
Пока в Германии еще не собираются отказываться от опытов на животных, другие страны постепенно склоняются к направлению, которое исключает их использование для проведения экспериментов.
Инновационные технологии все больше поглощают умы ученых. Так, в Нидерландах исследования с участием животных для нормативной оценки безопасности химических веществ, пищевых добавок, лекарственных препаратов должны быть прекращены до 2025 года. Вместо этого начнут применять исследовательские модели, основанные на людях, которые обеспечат высокую степень надежности и безопасности.
Хотя системы «орган на чипе» очень близки к физиологии человека, многие исследователи до сих пор поддерживают эксперименты на животных, мотивируя это необходимостью изучения некоторых эффектов лекарств в целостном организме.
Основной аргумент - отсутствие сосудистой и иммунной системы. Сегодня уже существуют модели с включением иммунных клеток и интеграцией сосудистой системы. Комплексная иммунная система на чипе, имеющем разные иммунные клетки и кровеносные сосуды, уже разработана и даже доставлена в лабораторию на МКС в рамках проекта НАСА.
Другие модели, например, нейронная система или гематоэнцефалический барьер на чипе, тоже отправятся на МКС, где будут искаться ответы на сложные научные вопросы, связанные со здоровьем человека.
Тенденция к исследованиям без животных
Проведение научных исследований без животных - реальная перспектива ближайшего времени. Модели органоидов, «орган на чипе» можно комбинировать с подходами in silico. То есть при участии сложных компьютерных моделей, позволяющих точно предсказать процессы ADME в токсикологических исследованиях.