Ученые придумали замену животным

Агентство по охране окружающей среды США  (United States Environmental Protection Agency, EPA) в марте запускает программу создания органов на чипе с бюджетом $18 млн. Речь идет о так называемой технологии human-on-a-chip, или "человек на чипе" - микробиореакторах размером с кредитную карту, в которых функционируют системы из миниатюрных клеточных моделей различных органов и тканей человеческого тела. Специалисты EPA объединят печень с моделями плодных оболочек, молочных желез и развивающихся конечностей, чтобы изучить влияние загрязнителей окружающей среды, таких как диоксин и бисфенол А, на функционирование органов.

По оценкам экспертов, на токсикологические испытания в мире ежегодно расходуется порядка $2 млрд. Тем не менее их результаты слишком условны. Ведь реакции на токсины или радиацию у человека и лабораторных мышей, на которых и ставятся эксперименты, могут сильно отличаться. Инфицирование модельных органов позволит в реальном времени наблюдать изменения в генах и метаболизме. Системы миниатюрных человеческих модельных органов на пластиковых чипах можно использовать не только для поиска защиты от химико-биологических угроз, но и для тестирования новых лекарств. Один из распространенных способов создания модельного органа - посев живых человеческих клеток в каналы на пластиковом чипе и последующее их снабжение имитирующей кровь жидкостью с комплексом необходимых питательных веществ. Такие модельные органы также можно объединять, тем самым имитируя биологическую систему. Подобные сложные трехмерные системы максимально точно воспроизводят работу человеческого организма.

Для EPA запуск новой программы human-on-a-chip и ее широкая презентация не случайны. В конце 2012 г. в США против него было возбуждено уголовное дело по обвинению в незаконных экспериментах над людьми. Оказалось, что с 2004 г. ученые исследовали на неинформированных добровольцах воздействие токсичных веществ PM2.5: смеси частиц пыли, золы, сажи, сульфатов и нитратов в воздухе - типичного для крупных мегаполисов коктейля. Заявленный новый вид испытаний должен восстановить репутацию агентства.

Теперь для опытов с отравляющими газами EPA намеревается создать искусственные живые системы, имитирующие человеческий организм. С их помощью, в частности, будет изучаться воздействие на человеческий организм одного из самых опасных веществ - диоксина, образующегося в результате промышленной деятельности человека, в первую очередь при сжигании мусора. Период полураспада его в клетках человека составляет 7-10 лет. Будут проведены эксперименты и с бисфенолом А, который входит в состав практически всех пластиковых изделий, а также применяется при изготовлении компакт-дисков, автомобильных деталей, различных покрытий и пр. Уже сейчас известно, что это вещество приводит к нарушению детородной функции, ускорению полового старения, негативно влияет на мозг, способствует развитию некоторых онкологических заболеваний, увеличивает риск развития у плода синдрома Дауна. Но как именно это происходит, предстоит выяснить с помощью программы human-on-a-chip. После чего, надеются ученые, удастся найти их антидоты.
Исследовательскую программу по созданию "человека на чипе" запустил также Национальный институт здоровья США при финансовой поддержке управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA) и американского министерства обороны. Под проект с бюджетом в $200 млн создан отдельный научно-исследовательский институт, в котором над разными вариантами систем "человек на чипе" работают сейчас 11 групп ученых. По прогнозам, через два года они представят полную версию человеческого организма.

Пока же наилучших результатов по созданию human-on-a-chip достигли специалисты Института Висса при Гарвардском университете, занимающегося биотехнологическими исследованиями. Там уже создали микрочипы, которые имитируют работу легких, сердца, почек и кишечного тракта. Недавно исследователям удалось искусственно вырастить костный мозг человека. А сейчас они пытаются создать на чипе и объединить в единую систему сразу десять органов, чтобы отобразить физиологию целостного организма человека.

Над созданием организма на чипе трудятся и специалисты Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Университета Вандербилта в рамках проекта ATHENA. Им удалось создать на чипе печень, которая подобно человеческой реагирует на воздействие токсических и химических веществ. Дальше ученые хотят связать воедино печень, сердце, легкие и почки. По словам одного из авторов разработки, Джона Уиксво из Университета Вандербилта, из десятков тысяч химических соединений, которые уже находятся в торговом обороте, лишь малая часть тестировалась на токсичность. Да и те из-за экономии времени и денег были проверены лишь на сильную токсичность. Новые технологии могут сделать этот процесс значительно дешевле и быстрее. ATHENA также поможет тестировать новые лекарства, выявляя побочные эффекты.

На недавней конференции Американского микробиологического общества, посвященной биозащите и новым заболеваниям, было заявлено, что human-on-a-chip в будущем позволит максимально точно имитировать физиологию человека, а значит, предельно просто и дешево тестировать средства биолого-химического воздействия и новые лекарственные препараты. Там же, к слову, было представлено искусственное легкое, созданное микробиологами из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории по изучению процесса заражения клеток сибирской язвой. Исследование проводилось по заказу министерства внутренней безопасности США. Ученые, в частности, должны были определить минимальное количество спор сибирской язвы, необходимое для возникновения заболевания у человека.

Опубликовано в еженедельнике "Деловая столица" от 16 марта 2015 г. (№11/721)