Сердце на чипе: микрофлюидное чудо, формирующее будущее сердечно-сосудистых исследований

Прочитано: 97 раз(а)


Важным шагом вперед в разработке лекарств стало то, что исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали инструмент для создания системы, известной как «сердце на чипе» (HoC).

Эта технология направлена ​​на устранение ограничений разработки традиционных сердечно-сосудистых препаратов, которая в значительной степени зависит от испытаний на животных. Воспроизводя человеческие модели для изучения сердечно-сосудистых заболеваний, система HoC обещает помочь заменить испытания на животных, сократить сроки разработки лекарств и снизить затраты. Результаты команды NIST были опубликованы в журнале Lab on a Chip.

HoC — это устройство, которое имитирует сложные взаимодействия клеток сердца на небольшом чипе и является частью более крупного комплекса «орган-на-чипе» (OoC). Реальная конструкция «сердца на чипе» различается, но обычно это небольшой прозрачный или полупрозрачный чип, состоящий из сети микроканалов, напечатанных на слое полимера.

Эти микроканалы хитроумно спроектированы так, чтобы имитировать кровеносные сосуды человеческого сердца . Исследователи помещают клетки сердца человека в эти микроканалы, чтобы манипулировать ими и наблюдать за их поведением. Исследователи могут самостоятельно стимулировать их или наблюдать за их поведением в разных условиях, например, при введении лекарства.

«Сердце на чипе спроектировано так, чтобы имитировать условия реального сердца», — сказал исследователь NIST Дарвин Рейес, который руководил разработкой этой системы HoC. «Мы можем манипулировать окружающей средой, чтобы превратить стволовые клетки в клетки сердца и заставить их сокращаться и расслабляться, как это происходит в организме, вызывая сердцебиение».

«Сердце» системы «орган-на-чипе» лежит в так называемой микрофлюидике, которая, по сути, представляет собой миниатюрную водопроводную систему, в которой исследователи могут точно контролировать и манипулировать крошечными количествами жидкостей. Исследователи используют микрофлюидику для создания в лаборатории усовершенствованных моделей органов и тканей на небольших чипах.

«Сам чип можно использовать с разными типами клеток», — сказал Рейес. «В частности, в этом проекте мы используем клетки сердца, но вы можете использовать индивидуальную версию системы с другими клетками, чтобы контролировать их поведение визуально и электронно».

Концепция «органа на чипе» выходит за рамки сердца. Исследователи могут создавать чипы, имитирующие состояние различных органов, которые можно даже объединить между собой, образуя систему из нескольких органов. Например, вы можете подключить «сердце-на-чипе» к «печени-на-чипе», чтобы имитировать взаимодействие сердца и печени в ответ на определенные лекарства или медицинские состояния. Этот подход обеспечивает более полное понимание того, как различные органы функционируют вместе в организме человека.

Переосмысление испытаний на животных

При разработке традиционных лекарств в качестве подопытных часто используются животные. Однако физиология животных не совсем соответствует физиологии человека. Лекарство может пройти испытания на животных, но затем не пройти испытания на людях. Это не только задерживает процесс тестирования на наркотики, но и подвергает испытуемых людей риску побочных эффектов от препарата. Кроме того, продолжаются дискуссии об этических соображениях тестирования на животных.

«Конечная цель — по возможности вообще отказаться от испытаний на животных», — сказал Рейес. «Это также сократит время, необходимое для тестирования лекарств, и, мы надеемся, что лекарства станут дешевле».

В 2022 году президент Джо Байден подписал Закон о модернизации FDA 2.0. Законопроект по сути пересматривает Федеральный закон о пищевых продуктах, лекарствах и косметике 1938 года, который предписывал проводить испытания на животных для каждого нового протокола разработки лекарств.

Хотя в прошлом столетии мандат был направлен на обеспечение определенных стандартов качества и безопасности лекарств и медицинских устройств, последние достижения в науке начали предлагать все более жизнеспособные альтернативы испытаниям на животных , включая системы «орган-на-чипе».

Глобальное сотрудничество по стандартизации технологии «орган-на-чипе»

Разработка этой новой технологии не происходит в вакууме. Исследователи во всем мире работают над подобными микрофлюидными устройствами, чтобы открыть новую эру разработки лекарств. Однако для того, чтобы это стало реальностью, необходима стандартизация — установление последовательных руководящих принципов и правил для этих технологий.

Это не только помогает получить одобрение регулирующих органов, но и обеспечивает лучшее признание в научных, промышленных и медицинских сообществах. NIST вместе с научными организациями по всему миру активно участвует в разработке стандартов для этой технологии.

«Чем больше совместных исследований будет проводиться помимо того, что делается в настоящее время и куда мы направляемся, тем лучше будет эта технология», — сказал Рейес.

Расширение горизонтов за пределами сердечно-сосудистой системы

В то время как HoC сосредоточен на разработке сердечно-сосудистых препаратов, возможности OoC выходят за рамки конкретного органа. Система может быть применена к различным типам клеток, имеющим отношение к исследованиям рака.

«Мы находимся на этапе тестирования понимания того, как мы можем отслеживать движение и агрессивность раковых клеток в режиме реального времени», — сказал Рейес. «Мы надеемся, что в будущем, благодаря большему количеству тестов, система сможет обеспечить измерения агрессивности раковых клеток, которые могут помочь в диагностике».

Эта новая технология, основанная на строгих стандартах, знаменует собой важный шаг на пути к будущему, в котором разработка лекарств будет характеризоваться точностью, эффективностью и повышенными этическими соображениями.

Сердце на чипе: микрофлюидное чудо, формирующее будущее сердечно-сосудистых исследований



Новости партнеров