Чтобы вывести новый фармацевтический препарат из идеи в химической лаборатории на рынок, потребуются многие годы и миллиарды долларов. Каждый год только несколько десятков новых лекарств одобрены для использования в Соединенных Штатах.
Человеческие «органы на чипах» ведут революцию в тестировании на безопасность наркотиков. Эти устройства используют клетки человека для моделирования структуры и функций органов и тканей человека. Испытывая потенциальное воздействие лекарств на различные органы быстрее, чем традиционными методами, органы на чипах могут снизить потребность в исследованиях на животных и лучше предсказать, какие новые лекарства будут эффективно лечить болезни человека.
В рамках междисциплинарной исследовательской группы мы работаем над «почкой на чипе», чтобы улучшить наше понимание того, как начинаются заболевания почек и какие лекарства могут безопасно их лечить.
**********
Исторически лабораторные испытания новых лекарств проводились в клетках, выращенных в чашках или колбах. Если лекарство проходит первоначальные скрининговые тесты in vitro, исследователи затем тестируют его in vivo на живых животных, чтобы определить влияние нового препарата на целую систему, а не только на один тип клеток одновременно. Наконец, после многих лет лабораторных исследований, исследователи будут тестировать новый многообещающий препарат на людях, чтобы увидеть, насколько он безопасен и эффективен.
Проблема в том, что 9 из 10 этих препаратов никогда не попадают из небольших испытаний на людях, потому что они оказываются неэффективными или токсичными, даже если они показали многообещающие результаты на ранних этапах тестирования.
Органы на чипах могут полностью преобразовать эту систему. От размера ногтя до размера ногтя кредитной карты, они состоят из жидких каналов и крошечных камер, которые содержат образцы человеческих клеток. Органы на чипах, разрабатываемые в лабораториях по всей стране, включают почки, легкие, печень, кишечник, кожу, мозг, сердце, кости и репродуктивную систему.
В органе на кристалле текущая жидкость снабжает клетки кислородом и питательными веществами, подобно тому, как кровь поддерживает клетки в организме человека. Именно этот постоянный поток делает эти устройства особенными. Клетки, выращенные в устройствах «органы на чипах», действуют больше как клетки в человеческом органе, чем клетки, выращенные в плоских чашках без потока.
Жидкость циркулирует через почку на чипе. (Алекс Левин, CC BY-ND) **********
Почки невероятно важны для общего здоровья человека. Две почки размером с кулак выводят лекарства и нежелательные соединения из организма и играют важную роль в поддержании надлежащего баланса соли и воды, кровяного давления и витамина D и здоровья костей. Генетические состояния и даже часто применяемые лекарства могут, в некоторых случаях, повредить почки.
В США 15 процентов взрослых страдают заболеваниями почек. Но большинство даже не знают об этом, потому что болезни почек часто не проявляют симптомов, пока состояние не станет очень выраженным. Существует острая необходимость понять, как начинается заболевание почек, и разработать новые безопасные и эффективные методы лечения.
Здесь, в Вашингтонском университете, наша исследовательская группа «почки на чипе» состоит из ученых из разных дисциплин, в том числе фармацевтики, фармацевтики, нефрологии (почечная медицина), токсикологии, биохимии и биоинженерии.
В сотрудничестве с Nortis, Inc., местной биотехнологической компанией, наша команда создала небольшое устройство - размером с визитную карточку - с тремя крошечными пробирками, каждая на одну тысячную размера капли воды, содержащей 5000 человек. клетки почек. Когда через трубки прокачивается небольшое количество жидкости, клетки почки подвергаются воздействию важных сигналов, которые помогают клеткам в чипе вести себя так, как если бы они находились в живой почке.
Мы обнаружили, что клетки почек выделяют сигналы - называемые биомаркерами - травмы при воздействии известных токсинов почек. Наше исследование показало, что клетки на чипе высвобождают маркеры повреждения, обычно наблюдаемые в моче людей с поражением почек. Тестирование по старому методу с использованием клеток на планшетах не выявило каких-либо повреждений при такой же обработке. Это говорит о том, что почка на чипе может быть лучше, чем существующие методы прогнозирования того, вызовет ли новое лекарство повреждение почек у людей.
Эти устройства лучше тестируют влияние молекул на живые клетки человека. (Алекс Левин, CC BY-ND) **********
Теперь, когда мы получили эти многообещающие результаты, научные группы по всей стране начинают объединять разные органы, чтобы воспроизвести более сложную, многоорганную систему, чтобы лучше понять, как наркотики влияют на людей. Например, мы смогли подключить печень на чипе к почке на чипе, чтобы узнать, как растительный экстракт, используемый в некоторых растительных лекарственных средствах, называемых аристолоховой кислотой, повреждает клетки почек. Это исследование от чипа к чипу усиливает потребность во взаимосвязанных органах на чипе для воспроизведения сложной механики в организме человека.
В следующем году наш проект «почка на чипе» будет одним из нескольких, отправленных на Международную космическую станцию, где низкая гравитация ускоряет изменения в клетках, иногда вызывая проблемы со здоровьем у космонавтов. Космическая станция может быть идеальным местом, чтобы узнать больше о заболеваниях почек в течение нескольких недель, а не лет или десятилетий.
Органы на чипах также могут быть использованы для обнаружения новых целей наркотиков. Наша команда оценивает почку на чипе как инструмент для персонализации выбора и дозирования лекарств у людей с раком почки, поликистозом почек и хроническим заболеванием почек. В других лабораториях по изучению органов на территории страны изучаются заболевания иммунной системы, мозга, легких, сердца и кровеносных сосудов. Работая вместе, десятки исследовательских групп разрабатывают эту новую технологию, чтобы революционизировать поиск лекарств, что ведет к разработке более качественных и безопасных лекарств для всех.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Кэтрин Юнг, доцент кафедры фармации, Вашингтонский университет
Эдвард Келли, доцент кафедры фармацевтики, Вашингтонский университет
Джонатан Химмельфарб, директор Научно-исследовательского института почек и профессор медицины, Вашингтонский университет
