Учёные меняют лабораторных мышей на устройства «мини-мозг на чипе»

Два года назад Дайэн Хофман-Ким [Diane Hoffman-Kim] вырастила свой первый мозг-шарик. Она начала с нескольких нервных клеток мыши, размещённых в специальной чашке Петри с неприлипающей поверхностью. Клетки, которым не за что было держаться, кроме как друг за друга, выросли в сферу диаметром менее миллиметра: мини-мозг. Биоинженеры с тех пор вырастили тысячи таких органоидов, в которых нейроны ведут себя активно и посылают электрические сигналы. Единственный их минус – они не живые. Без самостоятельного снабжения кровью они не выживут, если о них не заботиться.

А затем в прошлом году один из студентов Хофман-Ким заметил кое-что, незамеченное ранее: её мозги-шарики спонтанно выращивали кровеносные сосуды.

Это переплетение из трубочек отмечает начало простейшей кровеносной системы. «Их можно назвать новичками», – говорит Хофман-Ким. Её мини-мозги не в состоянии прокачивать свою кровь – для этого нужно сердце – но это не останавливает Хофман-Ким от попыток приблизить их к состоянию самостоятельной жизни. Она работает с коллегами из Брауновского университета над подключением мини-мозгов к мини-кровеносной системе: целые ряды шариков закреплены на чипах, подключенных к материнской плате с подачей крови.

За последние пять лет исследователи создали большое количество разных микро-органов, растущих в чашках Петри, от маленьких кишочков до печени лилипутского размера. Одновременно был достигнут прогресс и в создании биочипов: небольшие системы размером с USB-флэшку, содержащие один или несколько слоёв живых клеток, усеянные биосенсорами и микроканалами для подвода жидкостей. Эти двумерные чипы удобны для тестирования, к примеру, реакции клеток лёгкого на токсин, но слишком упрощены для того, чтобы по-настоящему имитировать работу органа целиком. И тут на сцену выходят такие органоиды, как мозги-шарики Хофман-Ким. Впервые двумерные биочипы скрещены с трёхмерными мини-органами – и вместе они составляют наилучший на сегодня симулятор органа.

По идее, используя такие установки, учёные смогут взять, допустим, несколько клеток вашей кожи, вырастить небольшие версии всех ваших органов, и разместить их на чипе. Затем доктора смогут проверить действие лекарств для имеющихся у вас болезней – не на мышах, а на вашей миниатюрной версии. «Это откроет новую эру в персонализированной медицине», – говорит Али Хадемхосейни [Ali Khademhosseini], биоинженер из гарвардского Института биоинженерии им. Вииса, работавший над созданием мини-органов и биочипов последние десять лет.

В работе, готовящейся к публикации, описано, как Хадемхосейни с командой создали несколько чипов, объединяющих органоиды печени и клетки рака при помощи петел из трубочек. Они прокачали через систему лекарство от рака, и отслеживали, убивает ли оно раковые клетки, и выживают ли при этом клетки печени. Таким образом возможно дозировать лекарство с тем, чтобы максимизировать антираковое воздействие, при этом не повреждая печень.

Такой способ проверки лекарств поможет разрабатывать новые методы терапии быстрее и дешевле. DARPA делает крупные инвестиции в такие исследования, особенно упирая на лечение людей от последствий воздействия ядерного и биологического оружия, поскольку это тяжело тестировать на людях. Это может означать конец эпохи тестирования лекарств на животных. Сейчас все новые лекарства должны проходить проверку на токсичность на животных до того, как разработчик сможет подать заявку на тестирование на людях. Это особенно важно для лечения болезней, специфичных для людей, поскольку в таких случаях животные модели не работают.

Энтеровирусы каждый год становятся причиной 10 млн заражений, а для младенцев они представляют смертельную опасность. При этом ни один из 71 штаммов вируса не заражает мышей или крыс. «Если подумать, практически всё, что нам известно об инфекциях, основано на опытах с мышами», – говорит Кэролин Койн [Carolyn Coyne], микробиолог из Питтсбургского университета. Поэтому Койн создала микро-кишки. В работе, опубликованной в прошлом месяце, описано, как её команда заставила стволовые клетки человека сформировать семь различных типов клеток, из которых состоят кишки. Как и в случае мини-мозгов Хофман-Ким, клетки Койн самоорганизовались в комочки прото-кишков, включая ворсинки [выступs на поверхности слизистой оболочки – прим. перев.]. Некоторые из энтеровирусов поражают только определённые виды клеток, используя их для проникновения в кровоток, где они могут причинить максимум вреда.

При этом, одних только мини-кишков было недостаточно для того, чтобы понять, почему вирус атакует конкретные клетки. Койн подозревает, что дело может быть в микрофлоре кишечника. Проверить гипотезу ей пока не удалось, поскольку большинство микробов кишечника не живут в чашке Петри с её мини-кишечником дольше пары дней. Но они могли бы прожить дольше, находясь на чипе…

Два года назад Дайэн Хофман-Ким [Diane Hoffman-Kim] вырастила свой первый мозг-шарик. Она начала с нескольких нервных клеток мыши, размещённых в специальной чашке Петри с неприлипающей поверхностью. Клетки, которым не за что было держаться, кроме как друг за друга, выросли в сферу диаметром менее миллиметра: мини-мозг. Биоинженеры с тех пор вырастили тысячи таких органоидов, в которых нейроны ведут себя активно и посылают электрические сигналы. Единственный их минус – они не живые. Без самостоятельного снабжения кровью они не выживут, если о них не заботиться.

А затем в прошлом году один из студентов Хофман-Ким заметил кое-что, незамеченное ранее: её мозги-шарики спонтанно выращивали кровеносные сосуды.

Это переплетение из трубочек отмечает начало простейшей кровеносной системы. «Их можно назвать новичками», – говорит Хофман-Ким. Её мини-мозги не в состоянии прокачивать свою кровь – для этого нужно сердце – но это не останавливает Хофман-Ким от попыток приблизить их к состоянию самостоятельной жизни. Она работает с коллегами из Брауновского университета над подключением мини-мозгов к мини-кровеносной системе: целые ряды шариков закреплены на чипах, подключенных к материнской плате с подачей крови.

За последние пять лет исследователи создали большое количество разных микро-органов, растущих в чашках Петри, от маленьких кишочков до печени лилипутского размера. Одновременно был достигнут прогресс и в создании биочипов: небольшие системы размером с USB-флэшку, содержащие один или несколько слоёв живых клеток, усеянные биосенсорами и микроканалами для подвода жидкостей. Эти двумерные чипы удобны для тестирования, к примеру, реакции клеток лёгкого на токсин, но слишком упрощены для того, чтобы по-настоящему имитировать работу органа целиком. И тут на сцену выходят такие органоиды, как мозги-шарики Хофман-Ким. Впервые двумерные биочипы скрещены с трёхмерными мини-органами – и вместе они составляют наилучший на сегодня симулятор органа.

По идее, используя такие установки, учёные смогут взять, допустим, несколько клеток вашей кожи, вырастить небольшие версии всех ваших органов, и разместить их на чипе. Затем доктора смогут проверить действие лекарств для имеющихся у вас болезней – не на мышах, а на вашей миниатюрной версии. «Это откроет новую эру в персонализированной медицине», – говорит Али Хадемхосейни [Ali Khademhosseini], биоинженер из гарвардского Института биоинженерии им. Вииса, работавший над созданием мини-органов и биочипов последние десять лет.

В работе, готовящейся к публикации, описано, как Хадемхосейни с командой создали несколько чипов, объединяющих органоиды печени и клетки рака при помощи петел из трубочек. Они прокачали через систему лекарство от рака, и отслеживали, убивает ли оно раковые клетки, и выживают ли при этом клетки печени. Таким образом возможно дозировать лекарство с тем, чтобы максимизировать антираковое воздействие, при этом не повреждая печень.

Такой способ проверки лекарств поможет разрабатывать новые методы терапии быстрее и дешевле. DARPA делает крупные инвестиции в такие исследования, особенно упирая на лечение людей от последствий воздействия ядерного и биологического оружия, поскольку это тяжело тестировать на людях. Это может означать конец эпохи тестирования лекарств на животных. Сейчас все новые лекарства должны проходить проверку на токсичность на животных до того, как разработчик сможет подать заявку на тестирование на людях. Это особенно важно для лечения болезней, специфичных для людей, поскольку в таких случаях животные модели не работают.

Энтеровирусы каждый год становятся причиной 10 млн заражений, а для младенцев они представляют смертельную опасность. При этом ни один из 71 штаммов вируса не заражает мышей или крыс. «Если подумать, практически всё, что нам известно об инфекциях, основано на опытах с мышами», – говорит Кэролин Койн [Carolyn Coyne], микробиолог из Питтсбургского университета. Поэтому Койн создала микро-кишки. В работе, опубликованной в прошлом месяце, описано, как её команда заставила стволовые клетки человека сформировать семь различных типов клеток, из которых состоят кишки. Как и в случае мини-мозгов Хофман-Ким, клетки Койн самоорганизовались в комочки прото-кишков, включая ворсинки [выступs на поверхности слизистой оболочки – прим. перев.]. Некоторые из энтеровирусов поражают только определённые виды клеток, используя их для проникновения в кровоток, где они могут причинить максимум вреда.

При этом, одних только мини-кишков было недостаточно для того, чтобы понять, почему вирус атакует конкретные клетки. Койн подозревает, что дело может быть в микрофлоре кишечника. Проверить гипотезу ей пока не удалось, поскольку большинство микробов кишечника не живут в чашке Петри с её мини-кишечником дольше пары дней. Но они могли бы прожить дольше, находясь на чипе…