С места в барьер: уникальный «мозг на чипе» поможет в разработке лекарств

Как воссоздание живых структур в пробирке позволит исследовать препараты и изучать нервную систему

В России разрабатывают оригинальную модель «мозга на чипе», которая впервые в мире будет воссоздавать барьерные структуры внутри головы человека. Это специальные пластинки с ячейками, в которых имитируется процесс кровообращения и обмена другими физиологическими жидкостями. Изобретение позволит тестировать лекарства в приближенных к живым системам условиях. По планам разработчиков, готовые конструкции появятся к 2026 году. Эксперты считают направление перспективным, но отмечают, что пока проект находится на начальной стадии.

Чиповое мышление

Исследователи Научного центра неврологии (НЦН) и МГТУ имени Н.Э. Баумана приступили к созданию уникальной в своем роде модели «мозга на чипе». Разработку должны закончить к 2026 году. Изобретение позволит создавать новые продвинутые модели для тестирования лекарств.

— Цель проекта — создание функционирующей двухбарьерной микрофизиологической системы на чипе, которая включается в себя модель гематоэнцефалического и модель гематоликворного барьеров. Все это позволит в ускоренном режиме испытывать лекарства и диагностировать нейрозаболевания, — отметил декан факультета «Биомедицинская техника» МГТУ имени Баумана, руководитель НОЦ «Мягкая материя и физика флюидов» Станислав Юрченко.

Первый барьер считается функциональной структурой, регулирующей проникновение в ЦНС различных чужеродных, ядовитых веществ и соединений, проникающих в кровь или образовавшихся в самом организме, в том числе и лекарств, способных повредить нервные клетки головного и спинного мозга. Второй же — это полупроницаемая мембрана, которая отделяет мозг от кровеносного русла.

Создание органов на чипе в целом — это перспективная научная задача, которой занимаются специалисты во всем мире. Такие модели представляют собой небольшие пластинки с ячейками, которые заселяются живыми клетками. Это могут быть любые клетки — печени, легкого или желудка. Ячейки соединяются каналами, которые имитируют кровообращение и обмен тканевой жидкостью, то есть создают условия, приближенные к внутренней среде живого.

На данный момент проект находится на стадии научно-исследовательских опытно-конструкторских разработок (НИОКР).

Разработка новых оригинальных моделей в формате «мозга на чипе» — сложная междисциплинарная задача, решение которой требует участия специалистов в области нейробиологии, тканевой инженерии, нейрохимии, физиологии, мягкой материи, гидродинамики, химии полимеров, биофотоники, микрофлюидики, математического моделирования, рассказала «Известиям» учредитель Фонда развития отечественной науки, техники и медицины «Фронтмед», заместитель директора по научно-организационной работе и развитию НЦН Елена Гнедовская.

Двухбарьерная среда

— До сих пор при in vitro (в пробирке) скрининге соединений с потенциальной фармакологической активностью в отношении клеток головного мозга никак не учитываются механизмы, связанные с совокупным влиянием процессов проникновения соединений через два барьера. Это объясняется технологическими сложностями в моделировании такой микрофизиологической системы, оценке проницаемости и целостности обоих барьеров, — отметила она.

Для решения поставленной задачи ученые уже отработали протоколы получения клеток-компонентов и разработали оригинальную геометрию чипа, максимально учитывающую ключевые параметры структурной организации барьеров и динамики жидкостей в ткани головного мозга in vivo (в живых моделях). На данный момент проводится оценка метаболической пластичности клеток — компонентов барьеров и создаются цифровые двойники формируемых на чипе мультиклеточных ансамблей. Специалисты тестируют разные по своим свойствам материалы, которые могут быть использованы для изготовления чипа.

Описанная модель «мозга на чипе» — это одно из направлений создания «человека на чипе», пояснил «Известиям» руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета Альберт Ризванов. Дело в том, что тестирование на лабораторных животных всё еще остается необходимым элементом доклинических исследований лекарств. Но, к сожалению, такие модели не всегда точно воспроизводят заболевания и физические особенности человека, добавил он.

— Кроме того, есть этические аспекты. Современная наука призывает сократить количество используемых животных. Поэтому создание методов моделирования систем и органов человека становится крайне актуальной задачей. В РФ этим занимаются несколько научных коллективов. Отличает этот проект от других то, что ученые моделируют двухбарьерную систему. И это потенциально позволит исследовать проникновение вредных веществ в мозг через его различные отделы, — отметил эксперт.

В случае если эта задача будет решена, ученые смогут моделировать многие процессы и вырастить не только плоский мозг, но и структуру 3D, рассказала «Известиям» директор института фундаментальной медицины ПИМУ, профессор кафедры нейротехнологий ННГУ им. Н.И. Лобачевского Ирина Мухина. Однако проект пока находится на ранней стадии и сложно предположить, сколько времени потребуется на создание готовой модели.

— Это достаточно ресурсозатратная технология. В России нет на данный момент ни чипов, ни технологии создания средств для культивирования клеток. Потому что всё время они были иностранные. И всё равно за клеточными технологиями большое будущее. Нужно, чтобы была развита инфраструктура создания таких средств, — сказала она.

По мнению разработчиков, двухбарьерная микрофизиологическая система будет интересна не только специалистам в области разработки лекарств или их носителей для доставки в ткань головного мозга, но и исследователям, занимающимся изучением механизмов функционирования ЦНС в норме и при патологии. Разработка может быть также сформирована в персонализованном формате.

Вопросы, ответы, комментарии