В настоящее время ученые оценивают токсичность лекарств для печени либо путем тестирования их на животных, либо путем нанесения их непосредственно на клетки печени, выросшие и прилипшие к дну пластиковой чашки. Хотя последний подход обеспечивает высокопроизводительный скрининг, он не учитывает сложную трехмерную организацию ткани печени, которая включает в себя несколько типов клеток и внеклеточный матрикс — совокупность молекул, которые окружают клетки для обеспечения структурной и биохимической поддержки.
Взаимодействие между различными типами клеток и внеклеточным матриксом способствует нормальному функционированию органа. Таким образом, тестирование лекарств на клетках печени в чашке, как правило, не является точным предиктором того, как лекарство повлияет на печень в реальной жизни.Недавние исследования, проведенные другими группами, привели к разработке моделей печени «орган на чипе», которые больше напоминают неповрежденный орган.
Чипы — это платформы (размером с флэш-накопитель), которые спроектированы для поддержки нескольких типов клеток печени в трехмерной среде. Крошечные каналы на платформе несут питательные вещества к клеткам, чтобы поддерживать их жизнь и здоровье. Тем не менее, эти чипы могут быть трудными в изготовлении, могут быть недостаточно однородными и их нелегко модифицировать. Это ограничивает количество лекарств и состояний, которые можно проверить с помощью чипов.
Пытаясь преодолеть эти ограничения, исследователи под руководством Дэвида Вайца, доктора философии, профессора физики и прикладной физики Гарвардского университета, создали микрожидкостный чип, который может быстро и точно генерировать функционирующие микроткани печени человека внутри капель. Система может генерировать до одной тысячи капель в секунду, которые затем можно использовать для скрининга большого количества лекарств в различных комбинациях и в разных дозах.
Микрожидкостный чип Weitz представляет собой платформу, которая содержит систему чрезвычайно узких, взаимосвязанных концентрических каналов (каждый канал имеет диаметр примерно с прядь волос). На первом этапе платформы физиологический раствор гепатоцитов, первичных клеток, которые вносят вклад в функцию печени, течет по каналу, пока не пересечется с гелеобразным раствором фибробластов, клеток, обнаруженных во внеклеточном матриксе печени. которые секретируют коллаген и обеспечивают структурную поддержку гепатоцитов. Из-за химических свойств двух разных растворов и физики жидкостей, движущихся в узких пространствах, фибробласты охватывают стороны канала, а гепатоциты текут по его середине.
Затем эта смесь клеток пересекается с раствором масла, который действует как тормоз и заставляет каплю отщипнуть. Наконец, эти недавно созданные капли встречаются со слабокислым раствором, который заставляет их внешний слой геля затвердеть, фиксируя клетки в их соответствующих положениях. Конечным результатом является капля с водянистым ядром, заполненным гепатоцитами, и студенистой оболочкой, состоящей из фибробластов.Хотя ранее были созданы капли, содержащие гепатоциты, это первый случай, когда микрофлюидное устройство смогло производить капли, содержащие два типа клеток, ограниченных разными областями, с высокой жизнеспособностью, с высокой воспроизводимостью и с такой высокой скоростью.
После приготовления капли можно использовать в различных условиях, в которых они подвергаются воздействию лекарства или комбинации лекарств для оценки токсичности для печени. Вайц говорит, что такой тип системы увеличивает количество экспериментов, которые можно провести, на несколько порядков:«Каждая капля похожа на мини-эксперимент. Обычно, если мы проводим эксперименты, скажем, в пробирках, нам нужен миллилитр жидкости на пробирку. Если бы мы проводили миллион экспериментов, нам потребовалась бы тысяча литров жидкости.
Это эквивалент тысячи молочных кувшинов! Здесь каждая капля всего лишь нанолитр, поэтому мы можем провести весь эксперимент с одним миллилитром жидкости, а это значит, что мы можем провести еще миллион экспериментов с тем же количеством жидкости ».
А поскольку так много экспериментов можно провести за такой короткий промежуток времени и за такую небольшую стоимость, можно проводить скрининг большего количества лекарств в разных дозах и в комбинации с другими лекарствами. Это важно, потому что многие лекарства токсичны для печени только в высоких дозах или в сочетании с другим лекарством.
«Этот новый процесс дает исследователям гибкость при сборке некоторых клеточных компонентов печени в различных комбинациях и пропорциях, чтобы увидеть, как они влияют друг на друга и как они могут работать вместе, чтобы создать функциональную ткань. Кроме того, сборка происходит быстрее, более надежные и менее дорогие, чем современные методы создания моделей тканей печени », — сказала Розмари Хунцикер, доктор философии, программный директор Tissue Engineering в NIBIB.