Человек на чипе становится реальностью: через два года появится полноценный подопытный гомункул

Фармацевтическая промышленность стоит на пороге очередной революции, в основе которой - новая технология доклинических испытаний Human-on-a-chip ("Человек на чипе"). Речь идет о микробиореакторах, в которых функционируют системы из миниатюрных клеточных  моделей различных органов и тканей человеческого тела. Они взаимосвязаны друг с другом через сеть микроканалов - аналогов кровеносных сосудов. Испытывая токсичность того или иного вещества на уменьшенной модели, можно получить информацию о его влиянии на реальный человеческий организм. Такая технология существенно снизит риски побочных эффектов при использовании новых препаратов, позволит подбирать лекарства индивидуально для каждого пациента, ускорит продвижение новинок на рынок, а также сделает лечение более безопасным и дешевым. Кроме того, не будет необходимости приносить в жертву фармацевтике и косметологии жизни животных.

Инвестиции в будущее

Созданием систем искусственных органов занимаются лаборатории разных стран мира. В частности, выделены значительные средства на разработку систем Human-on-a-chip в Европе. Действует, к примеру, программа по научным исследованиям и инновациям Horizon 2020 с общим бюджетом 80 млрд евро, которая пришла в прошлом году на смену Седьмой рамочной программе ЕС. В ее рамках проводятся разработки по созданию искусственных систем. Такими разработками занимаются и частные европейские компании, наиболее известные из которых - немецкие TissUse, ProBioGen, VITA34 и другие, которые предоставляют мировым биотехнологическим корпорациям, помимо других услуг, индивидуальные решения по созданию новейших технологий доклинических испытаний.

Причем 50% таких заказов приходит из США, 20% - из Азии, около 30% - из Европы. Большинство из них поступают от Европейского Агентства медицинских технологий (European Medicines Agency, EMA) и американского Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA).

Относительно недавно запустил большую исследовательскую программу Human-on-a-chip также Национальный институт здоровья (NIH) США при финансовой поддержке FDA и американского Министерства обороны. На масштабный проект с бюджетом в $200 млн. возлагают большие надежды - под него был создан новый институт, привлечены к разработкам десятки крупнейших лабораторий страны. В 2017 году американцы представят  максимально полную версию человека на чипе.

Как люди делают людей

По оценкам экспертов, для токсикологических испытаний в мире ежегодно используется более 100 млн. экспериментальных животных, а общий объем финансирования таких исследований составляет около $2 млрд. Обычно для изучения новых фармацевтических продуктов используют мышей, поскольку их геном весьма близок к человеческому, но такие эксперименты сопряжены со множеством неточностей. Ведь грызуны - это все же не люди и их организм может реагировать на новое лекарство совсем не так, как человеческий. Подобные ошибки уже привели к множеству смертей. Плюс - судебные иски и огромные финансовые потере при выводе препарата из производства.

В качестве альтернативы испытаниям на животных в последние годы стала активно применяться технология тестирования на отдельных клеточных культурах. Однако эта методика не обеспечивает системного подхода - неизвестно, как исцелив определенный орган, лекарство отразится на остальных системах организма и как на него отреагирует иммунитет.  

Соответственно, Human-on-a-chip  - наиболее перспективный вариант. Технологии создания таких систем самые разные, но идея в том, что из клеток формируют так называемые мультиорганные системы, имитирующие работу природных тканей и органов человека. Это, конечно, пока не полноценные гомункулы, но уже и не автономные искусственные органы. С помощью систем Human-on-a-chip  исследователи  могут постоянно следить, активизируются или подавляются главные функции клеток, испытывают ли они стресс или чувствуют себя комфортно.

Обычно берутся несколько функциональных органов, которые непосредственно взаимодействуют с введенным лекарством или веществом. Это, прежде всего, кишечник, через стенки которого препарат всасывается в кровь, и печень, где происходят основные этапы метаболизма лекарства. Кроме того, системы включают почки, ответственные за выведение и фильтрацию метаболитов, кожу - если препарат наносится на поверхность тела или вводится подкожно, а также легкие, если он в форме аэрозоля. Есть у "человека на чипе" мозг и сердце, которые не участвуют в деятельности препарата, но могут стать его жертвой, если он окажется нейро- и кардиотоксичным. Набор органов Human-on-a-chip можно постоянно расширять, добавляя иммунную систему, роговицу и пр.

Для моделирования систем используются клетки из разных источников. В частности, ученые работают с эмбриональными клетками из абортивного материала. Но это очень дорого, да и этические проблемы вряд ли позволят развиться этому направлению. Можно работать с эмбриональными клетками пуповинной крови или индуцированными плюрипотентными клетками жировой ткани.

Ученые также используют раковые линии клеток, полученные из мировых клеточных банков. Раковые клетки дольше живут, лучше растут, а самое главное - они стандартны, широко доступны и детально описаны в многочисленных публикациях, при этом их функции точно такие же, как у здоровых.

Модели для жизни

Эксперты утверждают, что микроорганы позволяют наиболее достоверно изучить реакции клеток живого организма на определенные препараты. Используя системы Human-on-a-chip выращенные из тканей самого пациента, можно будет проверять потенциально опасные для него средства лечения. Это особенно полезно для раковых больных, так как методы терапии могут вызвать совершенно непредсказуемую реакцию. Так что технология Human-on-a-chip напрямую связана с персонализированной медициной будущего, которая позволит добиться максимальной эффективности лечения конкретного пациента.

Еще одно перспективное применение Human-on-a-chip - это экология. К примеру, вместо человеческих клеток в микробиореактор можно поместить простейшие водоросли и оценивать по ним состояние окружающей среды. Так будет определяться уровень негативного влияния на человеческий организм выбросов заводов, продуктов нефтехимического синтеза и других загрязняющих веществ. Можно будет также создавать мобильные лаборатории, которые помогут в течение короткого промежутка времени (от 1-2 дней до 1-2 недель) тестировать микрофлору и микрофауну морей, океанов и пр.