Человек на чипе

Стрельникова Л.
(«ХиЖ», 2012, №12)

s20121208 chip1.jpg

Человек-слон


Речь пойдет вовсе не о знаменитом фильме Дэвида Линча «Человек-слон» 1980 года, главный герой которого — человек с огромным уродливым телом и гигантской головой. Мы вспомним совсем другую скандальную историю, которая случилась в 2006 году в Лондоне.

13 марта в клинику «Норвик Патрик» прибыли восемь добровольцев, давших согласие на участие в клиническом испытании нового лекарства немецкой компании «TeGenero». Это был препарат TGN1412 на основе моноклональных антител, предназначенный для лечения лейкемии и аутоиммунных заболеваний — ревматоидного артрита и рассеянного склероза. Принцип его действия — контроль над функционированием иммунной системы и подавление воспаления.

Согласно протоколу испытаний, двум добровольцам ввели плацебо, то есть пустышку, а шестерым — одну пятисотую дозы (в пересчете на килограмм массы тела), которую успешно испытывали на животных во время доклинических испытаний. Уже через час испытуемые почувствовали себя плохо: приступы удушья, рвота, жар, головная и мышечная боль. Участники эксперимента начали терять сознание. Двое добровольцев погрузились в кому, четверо были в тяжелейшем критическом состоянии. С такой картиной врачи еще не сталкивались: у всех добровольцев стремительно развилась мультиорганная недостаточность, которую вызвало резко начавшееся воспаление, охватившее все внутренние органы и ткани. Препарат, созданный для того, чтобы снимать воспаление, сработал с точностью до наоборот. Клетки стали стремительно набирать воду, забирая ее из крови. Тяжелейшие отеки тканей развивались буквально на глазах, изменяя участников эксперимента до неузнаваемости. У одного из добровольцев голова раздулась, как шар, вот почему британские журналисты окрестили его «человеком-слоном».

К счастью, участников эксперимента удалось спасти, но их здоровью был нанесен серьезный урон. Что же произошло? Несколько лет этот случай расследовали компания- разработчик, в конце концов разорившаяся, и внешние независимые эксперты. Доклинические исследования были выполнены по всем правилам на множестве разных животных — мышах, кроликах, собаках, обезьянах. И во всех случаях они не дали ни одного отрицательного результата. Правда, отступление от протокола все-таки было: лекарство ввели всем шестерым добровольцам одновременно, хотя полагалось с интервалом в два часа. Не отклонись врачи от правил, беда случилась бы только с одним участником эксперимента, потому что первые страшные симптомы начали проявляться уже через час.

Выяснили и то, почему на людей препарат подействовал не так, как на животных. Оказалось, что организм человека содержит некую субпопуляцию иммунных клеток со специфическими рецепторами, которых не было у животных, участвовавших в испытании лекарства. Предвидеть этого никто не мог. Камилло Колако, главный научный сотрудник британской компании «Immunology Ltd.», заметил по поводу этой трагедии: «Чем больше мы узнаем об иммунной системе человека, тем лучше мы понимаем, что мышь не может служить прототипом человека».


Напрасные жертвы?


Между тем токсикологические испытания химических веществ и доклинические испытания новых лекарственных препаратов проводили и проводят на животных — мышах, кроликах, собаках свиньях, обезьянах. Мы приносим их в жертву миллионами! И каждый год их требуется все больше. По европейским законам, для первичного тестирования одного вещества, если оно производится на химическом предприятии в небольших количествах и не очень опасно, нужны тысячи животных. Если же говорить о крупнотоннажном химическом производстве или новом фармпрепарате, то здесь речь идет уже о десятках тысяч животных, потому что надо тестировать различные дозы и длительное введение.

Конечно, этих животных специально разводят и выращивают, а не отлавливают в природе, но от этого не легче. Вот что рассказывал биолог Александр Ермаков, друг и автор нашего журнала («Химия и жизнь», 2005, № 11): «В первую неделю моей работы в Великобритании я с удивлением заметил, что как только на улице или в автобусе начинаешь говорить с коллегами о науке, они моментально умолкают и показывают жестами, что я должен быть осторожнее. Потом я узнал, что они всерьез опасаются активистов прав животных». Сегодня на Западе общества защиты животных — вполне авторитетные организации, которые лоббируют законы о минимизации мучений для подопытных животных, о недопустимости «острых» экспериментов с такими умными существами, как высшие приматы или осьминоги. Иногда эта деятельность проявляет себя в уродливых формах экотерроризма, в том числе и у нас. В 2004 году «спасители животных» несколько раз пробирались в виварии биофака МГУ им. М.В.Ломоносова, выбрасывали из клеток белых крыс и мышей, выпускали ворон и воронов. Грызуны-альбиносы разбежались и, конечно, погибли — шансов выжить на свободе у них не было. Мудрые птицы «спасаться» не захотели. На биофаке им и вправду хорошо — люди просят решать задачки на сообразительность, потом вкусно кормят (нападению подверглись вольеры кафедры высшей нервной деятельности), к тому же многих птиц ученым принесли со сломанными крыльями...

Сегодня американские и европейские компании, занимающиеся химическим производством, биотехнологиями и медициной, сталкиваются с мощным противодействием «зеленых» и защитников животных, причем есть радикально настроенные группы, которые жгут заводы и угрожают исследователям. Европейское законодательство по использованию животных в исследованиях постоянно ужесточается, этические комиссии и комитеты, куда в обязательном порядке поступают все запросы на разрешение доклинических исследований на животных, внимательно изучают материалы и выдают все меньше положительных решений. Поэтому неудивительно, что транснациональные корпорации переводят тестирование в другие страны, где законодательство помягче и нет таких резких «зеленых» настроений. Иными словами, не решают проблему радикально, а перекладывают ее на плечи других стран, в том числе России. Кроме того, в последние годы в России различные компании и научно- исследовательские организации построили и продолжают строить идеальные современные виварии. Для своих целей, конечно, но здесь найдется местечко и для западных заказов.

Никому из исследователей не доставляет удовольствие причинять страдания животным. Но если мы хотим получать новые, эффективные, спасительные лекарства, то другого выхода нет. Надо признать, что доклинические испытания на животных, проверяющие токсичность нового вещества или лекарства, имеют свои плюсы. Это, безусловно, системный подход. У животных есть те же органы и ткани, поэтому вещество, попадая в организм, вызывает ответ всех органов и системы в целом. Однако животные — не люди, и реакции у них могут отличаться от наших. Это любимый аргумент зоозащитников,

и он часто используется не по делу, но рациональное зерно в нем есть. Даже тесты на шимпанзе, чей геном отличается от человеческого всего лишь на 1%, не дают 100%-ного предсказания, как поведет себя лекарственный препарат или иное химическое вещество в организме человека. Подтверждение тому — трагедия «Человек-слон» и похожие на нее

Особенно это касается лекарств, и вот почему. Большинство современных фармпрепаратов - это так называемые «дизайнер-драгс». Их конструируют и моделируют на компьютерах, чтобы они точно действовали на мишени в человеческом теле. Поэтому тестирование их на животных бессмысленно: у мышек, свиней и приматов может просто не оказаться целевых человеческих рецепторов.

И еще одна проблема — дороговизна. Доклинические испытания обходятся в круглую сумму, от одного до десяти миллионов долларов на один препарат. Причем расходы на разработку новых лекарств неуклонно растут, а сам процесс сегодня выглядит как пирамида с широким основанием. Скажем, компания создает пять тысяч новых субстанций, тех самых «дизайнер-драгс». Их тщательно тестируют и отбирают на доклинические испытания только 500. Лишь пять из них успешно проходят испытания и отправляются на клинические исследования. На выходе — один-два новых препарата, которые можно выводить на рынок. На это уходит в среднем 15 лет. И все расходы, разумеется, отразятся на стоимости лекарств в аптеках.

Вообще, ситуация с разработкой новых препаратов выглядит тупиковой. Если в 1997 году американские фармкомпании потратили 15 млрд. долларов, то в 2010-м затраты на разработку выросли до 70 млрд. долларов, при этом количество новых препаратов, измеряемых двумя-тремя десятками в год , не увеличилось. Расходы от этапа к этапу растут в геометрической прогрессии, а вывести препарат на рынок — это и вовсе огромные деньги. Компании осторожничают. Не дай Бог у нового лекарства, поступившего в аптеки, обнаружатся опасные побочные эффекты. Именно это произошло с препаратом от ожирения «Липобэй» («Байер») в 2001 году и с обезболивающим «Виокс» («Мерк») в 2004-м. Лекарства пришлось срочно отзывать из аптек, снимать с производства, платить огромные штрафы, отступные, не говоря уже о плохо восполнимых репутационных потерях. В общем — тупик.


Альтернатива


Человеческое тело содержит 1014 клеток, но разновидностей их не так много — всего двести. С человеческими клетками и монокультурами работают уже не один десяток лет, и эти двести типов изучены довольно хорошо. Так почему бы не создать модели для тестирования из человеческих клеток, ведь лекарства и различные вещества воздействуют именно на них? Плохо клеткам — плохо организму.

Эта мысль, казалось бы, вполне очевидная, совсем недавно перешла в плоскость практических работ. Видимо, ужесточение законодательства во многих странах и разного рода запреты исследований на животных сыграли роль катализатора.

Последние семь— десять лет в разных лабораториях мира исследователи пытаются приблизить клеточные культуры к модели какого-нибудь органа.

Первые публикации, в которых выдвигается идея объединить несколько типов клеток человека на каких-то устройствах (назовем их чипами), чтобы смоделировать, скажем, печень или другие органы, появляются уже в 2007 году (Уве Маркс. «Тестирование лекарств in vitro», издательство «Вилей» («Wiley-VCH Verlag»), Германия, 2007 г.). Но задачу каждый решает по-своему. У кого-то более сильны цитологи и менее сильны инженеры. У кого-то сильны инженеры, которые умеют делать уникальные насосики, но с клеточными культурами получается плохо. Каждый строит свои модели органов.

В лаборатории К.Сато Факультета прикладной биохимии Токийского университета (Япония) на своеобразном чипе размещают клетки раковой опухоли и какой-то ткани и смотрят, как они будут взаимодействовать. Дональд Ингбер в Институте Вайса в США сделал великолепное легкое на чипе: ансамбль клеток, которые сидят на поверхности мембраны с обеих сторон, растягивается, как легкое при дыхании и позволяет диффундировать газам («Science», 2010, № 328), а также клеточную модель кишечника с обитающей в нем микрофлорой.

В бурлящем потоке идей постепенно выкристаллизовывается новая задача: объединить на одном чипе клетки, моделирующие разные органы человека, то есть создать мультиорганный чип, или «человека на чипе». Первыми за разработку этой идеи в 2008 году берется Уве Маркс со своей командой (компания «TissUse») и Роланд Лаустер из Института биотехнологии в Берлине, умеющие работать с клеточными культурами. К ним присоединяется Франк Зонтаг из Института Фраунгофера в Дрездене с хорошей группой инженеров, чтобы идеи можно было воплотить в устройстве.


s20121208 chip2.jpg

Так схематически выглядит концепция «Человек на чипе» (Human-on-a-chip), принятая сегодня в мире. На одном чипе располагают миниатюрные клеточные модели органов человека и наблюдают за их реакцией на новые вещества


А в 2009 году Уве Маркс приглашает к участию в проекте «Человек на чипе» (Human-on-a-chip) российский научно-технический центр «БиоКлиникум» в Москве во главе с членом-корреспондентом РАН Александром Тоневицким.

Выбор не случайный. В свое время Уве Маркс был дипломником, а потом аспирантом у А.Тоневицкого в Кардиоцентре и знает не понаслышке, сколь хороши у нас специалисты по клеточным культурам и инженеры. Так появилась русская программа «Микробиореактор "Гомункулус"», которая начала стремительно развиваться. В 2010 году Министерство образования и науки РФ выдает НТЦ «БиоКлиникум» большой грант на опытно-конструкторские работы на три года в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России». А в конце 2012 года «БиоКлиникум» уже изготавливает уникальные приборы, которые отправляются на тестирование в Германию.

Американцы, занимавшие выжидательную позицию наблюдателя, спохватились позже, когда немецкий и русский проекты уже вовсю набирали обороты. Недавно, в июле 2012 года, Национальный институт здоровья (NIH) США при финансовой поддержке FDA и Министерства обороны США запустили большую исследовательскую программу, цель которой — создание платформы «Человек на чипе». Возглавляет ее тот самый Дональд Ингбер из Института Вайса. В декабре 2011 года он публикует в «Trends in Cell Biology» статью «От клеточной культуры к органам на чипе», прозвучавшую как некое программное заявление. Однако к этому времени в России уже были созданы прототипы платформы «Человека на чипе», теоретически описанной в статье Ингбера. Сегодня в Америке запущена огромная машина с большими финансовыми и исследовательскими ресурсами. И хотя российский проект «Гомункулус» пока опережает американцев на два-три года, нет сомнений, что они быстро наверстают упущенное. Тот случай, когда деньги и кадры решают все.


Какие органы и клетки?


Какие органы моделировать? Все? Наверное, когда-нибудь будет решена и эта задача. Но для начала немецкие и российские разработчики сосредоточились на нескольких функциональных органах, которые непосредственно взаимодействуют с введенным лекарством или веществом, участвуют в его транспорте и метаболизме. Это прежде всего кишечник, через стенки которого вещество всасывается в кровь. За ним следует печень, где происходят основные этапы метаболизма препарата. Безусловно, важны почки, ответственные за выведение и фильтрацию метаболитов. Важна и кожа, если препарат наносится на поверхность тела или вводится подкожно, и легкие, если препарат в форме аэрозоля. Есть еще так называемые органы-мишени — мозг и сердце. Они не участвуют в деятельности препарата, но могут стать его жертвой, если препарат окажется нейро- и кардиотоксичным. В принципе, этот перечень можно постоянно расширять, добавляя иммунную систему, эндотелий сосудов, роговицу и другие. Однако на первом этапе важно было получить первый прототип системы, объединяющей клеточные модели нескольких органов, и убедиться, что он работает.

Но какие клетки брать для моделирования? Ведь наши органы построены из разных типов клеток. Например, печень — из десяти. Однако функциональную нагрузку несут единицы этих типов клеток. Поэтому одного-двух для одного органа вполне достаточно, чтобы отобразить его главные функции: для кишечника — это адсорбция вещества и его всасывание, для печени — производство альбумина, цитохрома, способность метаболизировать вещество, для легких — адсорбция и транспорт кислорода и углекислого газа. Для клеток сердца важно, чтобы они постоянно пульсировали, жили, чтобы сердце не останавливало свою работу от воздействия лекарств. Нервные клетки тоже должны просто демонстрировать свою жизнеспособность, не испытывать стресс из-за поступления в организм тех или иных субстанций.

Задача устройства — дать исследователям возможность постоянно следить, активизируются или подавляются главные функции клеток, испытывают ли они стресс или чувствуют себя комфортно.

Ответ на мой вопрос, с какими конкретно линиями клеток работают создатели «человека на чипе», меня несколько озадачил. Потому что это линии раковых клеток. Почему? Дело в том, что любая тестовая система должна быть как можно более стандартизованной, чтобы она воспроизводилась в любой точке мира и в любой лаборатории. Надо везде иметь абсолютно одинаковые условия для тестирования одного и того же препарата. Раковые линии клеток полностью отвечают этому требованию: они культивируются одинаково по стандартной методике в любой лаборатории мира, достать их легко - есть банки таких линий клеток, они хорошо изучены и про них много чего известно. Скажем, про линию клеток «Caco-2», из которых моделируют кишечник, очень много статей. Достаточно посмотреть публикацию в «Nature Protocols» (2007, № 2), где подробно описано, что и как эта клетка делает, а если она этого не делает, значит, ей плохо. Публикаций такого рода уже очень много, и разработчики клеточных моделей тщательно следят за ними. Это все равно что получить инструкцию к действию.

В сущности, задача разработчиков заключается в том, чтобы найти линию клеток, раковую или иммортализованную, которая будет делать то же самое, что и клетка печени, но с которой будет легче работать. Раковые клетки быстрее растут и дольше живут. Но главное - они стандартные, одинаковые везде. И это дает возможность сравнивать результаты.

Некоторые исследователи не разделяют этот подход и заявляют, что будут работать только с первичным материалом, только с биопсией. Но поди попробуй возьми у пациента все клетки. Биопсию мозга, например. Не говоря уже о том, что это жутко дорого, потому что банков биопсии нет.

В мире начинают работать с эмбриональными клетками, взятыми из абортусов, тем более что есть банки 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. Наверное, это то, куда будет развиваться технология «человек на чипе», хотя этот путь очень тернистый.


«Гомункулус»


Мы сидим в небольшом, уютном, трехэтажном здании на Кожуховской в кабинете директора «БиоКлиникум» Дмитрия Сахарова, кандидата биологических наук, выпускника Химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. Мне уже показали красивые светлые лаборатории, начиненные самым современным оборудованием, мастерскую, где колдует с проводами и платами Евгений Трушкин, главный инженер с золотыми руками, выпускник Бауманки 2006 года. А мне почему-то казалось, что нынешняя молодежь, покажи ей паяльник, ни за что не догадается, что это такое. В коридорах и в лабораториях на глаза попадаются только молодые улыбчивые исследователи.

Пьем чай, и я засыпаю директора вопросами, потому что хочу узнать, как устроен этот чип. Дмитрий обстоятельно и охотно рассказывает, как родитель — о своем умненьком и талантливом ребенке, которого безоглядно любит.

Устройство «Гомункулус» представляет собой некий трехслойный сэндвич. В его основании (нижний слой) — предметное кварцевое стекло размером 26х76 мм и толщиной 0,3—1 мм. Это вполне стандартные размеры, которые позволяют поместить чип в любой микроскоп, поскольку у микроскопов есть адаптеры под такие предметные стекла. Главное — сделать все слои как можно тоньше и прозрачнее.

На предметном стекле лежит рабочая часть устройства — слой из полидиметилсилоксана, бесцветного прозрачного полимера. Внутри него проложены тончайшие прямоугольные каналы (аналог кровеносной системы) высотой 100 микрон и шириной 1 мм и сделаны ячейки, куда помещают клеточные модели органов. По этой системе циркулирует питательная среда. По сути это физиологический раствор с добавками незаменимых аминокислот и некоторых факторов роста. Причем нижняя стенка канала — это всегда предметное стекло, на котором покоится вся конструкция, а его боковые и верхние стенки — силикон. Делают эту изящную конструкцию методом фотолитографии.


s20121208 chip3.jpg
Рабочая часть чипа «Гомункулус» — тонкая полимерная матрица из полидиметилсилоксана, в которой размещают клеточные модели органов: 1 — ячейка для почки, сердца, мозга, кожи, легких; 2 — кишечник; 3 — печень; 4 — расширительная камера, 5 — канал для обогащения углекислым газом; 6 — клапаны, обеспечивающие циркуляцию жидкости в системе


Жидкость в системе, или среду, гоняют три специальных клапана, тоже сделанные в силиконовом слое (окружность клапана 5 мм). Каждый клапан, регулируемый с блока управления, может быть либо открыт, либо закрыт. В сущности, это всего лишь тонкая силиконовая мембрана, которая приподнимается и опускается с помощью пневматических актуаторов в блоке управления. Комбинация этих действий позволяет прокачивать жидкость, то есть система работает как перистальтический насос. Поток циркулирует небольшими рывками, как кровь, выходящая из сердца. Поэтому клетки в системе немного сжимаются и разжимаются. Жидкость движется медленно, со скоростью около 10 микролитров в минуту — точно так же, как кровь в периферических капиллярах в нашем теле. В таких условиях клеткам очень комфортно.

Помимо каналов для жидкости в системе есть линия для насыщения среды СО2. Живые клетки постоянно подщелачивают среду своими метаболитами. Поэтому необходимо ее подкислять с помощью СО2, чтобы клетки не испытывали стресс. Канал СО2 лежит очень близко к каналу с жидкостью. А поскольку полидиметилсилоксан проницаем для газов, то СО2 легко диффундирует в систему циркуляции среды, и рН выравнивается.


s20121208 chip4.jpg

Микробиореактор «Гомункулус» похож на трехслойный сэндвич: на предметном кварцевом стекле лежит рабочий слой из силикона, в ячейки которого помещают клеточные модели органов. Верхний слой — это прозрачная панель их оргстекла, которая придает жесткость системе. В нее вкручивают ячейки с клетками, подводят коммуникации. Сэндвич помещают в термостатирующую кроватку (нижний фрагмент рисунка)


В главном силиконовом слое предусмотрены шесть гнезд для клеточных ячеек. Кишечник с печенью — обязательно, с них и начинается процесс. В остальных четырех ячейках можно разместить любые другие «органы» — почку, кожу, легкие, сердце, либо какие-нибудь электрохимические сенсоры. А можно подвести оптический световод и наблюдать за клетками, добавляя к ним витальные краски: они избирательно окрашивают клеточные структуры и помогают различать живые и погибшие клетки.

Третий, верхний, слой этого сэндвича — прозрачная панель из полиметилметакрилата, придающая системе жесткость. В нее вкручивают ячейки с клетками, трубки для управления средой, крышки, резервуары и прочее.

При создании этой конструкции разработчики столкнулись с технической проблемой. Стекло и силиконовый слой должны были намертво сцепляться, иначе среда выливалась бы наружу. Однако адгезия стекла к силикону почти что нулевая.

Проблему решили с помощью плазменной обработки поверхности стеклянного и силиконового слоев. После такой процедуры они прочно соединяются безо всякого клея.

Всей системой — клапанами, подогревом, подачей среды и газа — управляет специальный прибор. В нем предусмотрена система оповещения об ошибках: скажем, заканчивается газ, и система посылает оператору sms на мобильный телефон или письмо по электронной почте. Прибор по сети соединяется с управляющим компьютером, поэтому оператор может сидеть в другом месте и корректировать процесс на расстоянии. А может - непосредственно на приборе, на панели которого расположен тач-скрин.

«Все критические компоненты для управляющего прибора мы делаем сами: рисуем платы, которые потом нам изготавливают московские фирмы, сами пишем все программное обеспечение, изготавливаем корпус, в котором надо все уместить, — рассказывает Дмитрий. — Пневматика — японская и немецкая, электроника — из Тайваня и Китая. Остальные элементы — краны, вентиляторы, блоки питания, шланги — покупаем в разных странах».

Клетки органов выращивают вне чипа. На это уходит неделя-две. Затем их подсаживают в трансвелы. Это ячейки с полупроницаемой мембраной внизу, на которой и размещают

клеточный «орган». В одной ячейке живет порядка 50 тысяч клеток, если это монослой, и до миллиона, если это сфероид (аналог мозга или нервной системы). Именно через эту мембрану клетки в ячейке обмениваются веществами с постоянно циркулирующей средой. Так как скорость среды маленькая, то диффузия происходит очень хорошо.

Теперь клеткам в чипе потребуется несколько дней для акклиматизации к новым условиям, чтобы войти в стационарную фазу и почувствовать себя хорошо. А потом они будут жить 28 дней в чипе уже в экспериментальных условиях. Почему именно 28? Потому что чип предназначен для тестирования веществ и лекарств на острую и хроническую токсичность. По европейским требованиям срок таких испытаний — 28 дней.

Система работает просто. Предположим, мы исследуем новый препарат, который пациенту предстоит глотать в виде таблеток один раз в день. В этом случае в функционирующий чип, в котором клетки уже акклиматизировались, в ячейку с «кишечником» сверху добавляют среду с содержанием исследуемого препарата в соответствующей концентрации. Действующее вещество адсорбируется клетками кишечника, всасывается в кровь сквозь стенки (в чипе — это полупроницаемая мембрана внизу ячейки), и кровотоком (в чипе — циркулирующей средой) отправляется в «печень». Если лекарство не всосалось в «кишечнике» и не попало в среду, что мы легко увидим, то, значит, лекарство не работает. А препарат, который должен быть введен внутривенно, в чипе вводят непосредственно в циркуляцию, проходящую через все органы. Если задано накожное введение, то препарат капают в ячейку с «кожей», аэрозольное — в «легкие».

Чип живет своей жизнью, а исследователи внимательно наблюдают за ним, регулярно (с любой периодичностью) оценивая и измеряя самые разные параметры системы: концентрацию глюкозы, лактата, метаболитов, кислорода, рН среды. Делают это с помощью разных сенсоров или хроматографов, для анализа на которых периодически отбирают из чипа пробу среды. Например, если клеткам печени будет плохо, то они начнут синтезировать специальные структурные белки, чтобы клетки не полопались. А если им хорошо, то в системе появится альбумин и цитохромы. «Для верификации клеток мы используем данные генома и транскрипотома, — рассказывает Д.Сахаров. — Мы можем отобрать клетки печени из чипа и посмотреть с помощью ПЦР, какие гены у нее включены, а какие отключились, то есть активна клетка или подавлена». Напомним, что транскриптом, это совокупность всех матричных РНК, то есть активных генов в ткани, органе, организме.


s20121208 chip5.jpg

Устройство «Гомункулус» маленькое. Да и системный блок, управляющий работой чипа (прибор на заднем плане), тоже невелик.


Содержимое чипа периодически рассматривают в микроскоп, чтобы оценить количество погибающих или растущих клеток. А можно посмотреть чип только в конце эксперимента и оценить, сколько клеток выжило.

«Пока мы оцениваем воздействие на клетки только по этим трем параметрам: количество клеток, метаболиты и транскриптом, — рассказывает Д.Сахаров. — Это самое необходимое, хотя, конечно, можно придумать что-то еще».

В принципе этот чип, рассчитанный пока на шесть ячеек, можно как угодно масштабировать, в том числе и до 10 органов — именно такую задачу поставили перед собой американцы и пытаются ее решить. Хотя, на взгляд Дмитрия, на этом этапе есть проблемы поважнее, например — сделать орган правильно: «Пока что у нас очень хорошая «печень», «кишечник» и «кожа». Остальные чуть хуже». Чип можно также адаптировать и под решение конкретной задачи. Скажем, разместить в нем клетки крови пациента и посмотреть его резистентность к тому или иному антибиотику. Много чего можно сделать. Платформа очень гибкая, ей можно найти множество самых разных применений. Проблема только в том, как впихнуть в один небольшой микробиореактор все идеи.


Кому это нужно?


Устройство, о котором рассказано в статье, — это микробиореактор «Гомункулус» уже второго поколения, созданный в российском институте «БиоКлиникум». «Первый прототип «человека на чипе» сделали в Германии в 2008 году, передали его нам и предложили попробовать сделать лучше, — рассказывает Д.Сахаров. — Мы сделали, быстро шагнув на три шага вперед». Причем, замечу, сделали силами маленького частного института, в котором работают 30 сотрудников — молодые химики, физики, биологи генетики, медики, инженеры и программисты.

Сейчас «БиоКлиникум» испытывает свою систему в России и в Германии, экспериментируя с гепатотоксичным веществом троглитазон. Исходно это было лекарство от диабета второго типа, но оказалось токсичным, и в 1997 году его сняли с производства. Об этом веществе известно все. Пока разработчики тестируют его отдельно на печени, на коже и сопоставляют с уже известными результатами, полученными в прежние годы стандартным тестированием. Задача исследования — доказать правильность работы микробиореактора. Десять новых приборов уже готовы и отправлены в Германию для тестирования. К концу года их будет тридцать.

Кому они нужны? Есть ли покупатели в России? Напомню, что устройство, созданное «БиоКлиникум», предназначено для доклинических испытаний in vitro. С его помощью можно будет отсечь заведомо токсичные субстанции и не допускать их до тестирования на животных, а с другой стороны — не пропустить что-то ценное и полезное для людей, упрятанное в массиве из тех самых пяти тысяч кандидатов, с которых компании начинают скрининг.

Значит, «Гомункулус» должен заинтересовать фармкомпании, которые занимаются доклиническими исследованиями своих субстанций. Но есть ли такие в России? У нас же сплошь импортные лекарства. Неожиданно для меня оказалось, что есть, и даже очень много.

Оказывается, Минпром вместе с Минобрнауки выдал в этом году около 100 грантов российским компаниям на доклинические испытания новых отечественных лекарственных средств. Причем эти 100 отобрали из полутора тысяч заявок! А Минздрав дал в этом году 600 разрешений на проведение клинических исследований новых отечественных препаратов. Это означает, что в предыдущие годы было проведено не менее 10 тысяч доклинических исследований. Еще есть химические компании, которым тоже необходимо тестировать на токсичность все свои конечные и побочные продукты. Так что рынок есть, и единственное, что можно ему пока предложить — это устройство «Гомункулус» для исследований in vitro, созданное в «БиоКлиникум».

«Наш прибор, блок управления, будет стоить около десяти тысяч евро, то есть около 400 тысяч рублей, одноразовый чип — около пяти тысяч рублей, — рассказывает Д.Сахаров. — Причем сам прибор может работать вечно, но рассчитывать надо на три-четыре года: система развивается настолько быстро, что неизбежно будут появляться приборы нового поколения». Сопоставьте эту стоимость с расходами на доклинические исследования одной субстанции — от одного до десяти миллионов долларов. Даже если крупная компания купит десятки таких приборов, то выгода и экономия будут более чем ощутимыми.

Интересно, что когда российская программа только начиналась, «БиоКлиникум» заключил лицензионное соглашение с немецким партнером по поводу дальнейшей судьбы разработки. Решили, что немцы работают на рынке Европы, «БиоКлиникум» — на рынке СНГ. Но теперь, по прошествии трех лет, стало понятно, что никто не может сделать железо лучше, чем мы. Блок управления чипом в нынешней конфигурации — это полностью российская разработка. Так что не исключено, что наши приборы появятся и на европейском рынке.

«Конечно, это еще не человек на чипе, это лишь первые клеточные модели, первое их приближение к человеческому организму, — говорит Александр Тоневицкий. — Но технологии развиваются стремительно. И роль этих первых моделей чрезвычайно велика. Главное - это новый взгляд и новый подход, благодаря которым совершаются маленькие технологические революции. Революции ради здоровья людей».

Разные разности

29.11.2017

«Опять ящик консервов, второй за месяц, небольшая вроде собачка, а сколько лопает», — любя ворчим мы на питомца. Сколько они лопают, подсчитал Грегори Окин из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе. Правда, пока только для американских собак и кошек.

>>
28.11.2017

Героизм невыгоден. Зачем умирать, когда ты не услышишь, как тебя за это хвалят, не сможешь больше приносить пользу своему делу? А если еще и родные пострадают — да стоит ли этого хоть одна святая цель?.. И все же есть люди, готовые погибнуть во имя такой цели. Калькулятор в голове перестает работать, когда в него вводят бесконечно большое число «высшей ценности».

>>
07.11.2017 10:00:00

...в США проект гражданской науки Citizen Continental-America Telescopic Eclipse собрал наблюдения затмения Солнца 21 августа с 55 телескопов, что позволило создать высококачественный видеоролик о солнечной короне («Nature», 2017, 548, 7669, 504—505, doi: 10.1038/548504a)...

>>
26.10.2017 10:00:00

Не секрет, что во всем мире есть группы людей, которые пытаются судить о человеке не по его талантам, а по той крови, что течет в его жилах. Одно время было популярно измерять форму черепа или носа, но этих измерителей ждал печальный конец. Теперь же появился абсолютный маркер – личный геном.

>>
25.10.2017 10:00:00

Удаленная работа бьет по транспорту — человек не ездит на службу, соответственно, не покупает ни билеты на автобус и метро, ни автомобиль. Сейчас наметилась еще одна жертва цифровой экономики — владельцы офисных помещений: многие работники свободных профессий отказываются от найма офисов и перемещаются в кафе.

>>