Миниатюрные органы на чипах становятся все более актуальными в фармацевтике и медицинской науке, поскольку позволяют моделировать поведение человеческих тканей в строго контролируемых условиях лаборатории и избавляют ученых от необходимости ставить опыты на животных. Но одной из главных проблем таких систем долгое время оставалось отсутствие в них полноценной системы кровообращения, без которой невозможно достоверно воспроизвести процессы, которые происходят в живом организме.
Команда специалистов под руководством профессора Александра Овсяникова разработала способ создания миниатюрных кровеносных сосудов в гидрогелях — специальных материалах, чья проницаемость совпадает с показателями живых тканями. Используя ультракороткие лазерные импульсы в фемтосекундном диапазоне, им удалось быстро и точно «вписывать» трехмерные сосудистые структуры непосредственно в эти материалы. Это позволяет эндотелиальным клеткам, выстилающим сосуды в организме изнутри, заселять созданные каналы и формировать устойчивую, функциональную микросеть капилляров.
Ранее подобные попытки опирались на процессы спонтанной самоорганизации клеток, что приводило к неконтролируемым геометрическим формам сосудов и делало невозможным воспроизводимые эксперименты. Новая методика позволяет точно контролировать размер и расположение сосудов с точностью до сотен микрометров. Это критично для воспроизведения сосудистых сетей определенной плотности, например, соответствующей капиллярной сети печени или легких.
Особое внимание ученые уделили стабильности структуры. Обычно клетки активно изменяют окружающую их среду, что может привести к деформациям или даже разрушению сосудов. Чтобы этого избежать, специалисты применили усовершенствованную методику двухэтапной термической обработки гидрогеля. Такой подход обеспечивает долгосрочную стабильность и сохранение формы каналов после того, как те будут заселены живыми клетками.
Эффективность новой технологии была подтверждена в ряде экспериментов: полученные сосуды не только поддерживают перфузию (ток определенных веществ сквозь сосудистую стенку), но и ведут себя как настоящие — в частности, в смоделированном воспалительном процессе демонстрируют характерную для воспаления повышенную проницаемость стенок. Другими словами, искусственные сосуды реагируют на стимулы так же, как и их природные аналоги, что максимально приближает возможности лабораторного моделирования к реальным физиологическим условиям.
Кульминацией работы стало создание модели печеночной дольки на чипе, в которой удалось воспроизвести сложную трехмерную структуру кровоснабжения печени. Этот проект был реализован в сотрудничестве с Университетом Кэйо в Японии и стал важным шагом к полноценному использованию технологии «орган на чипе» в доклиническом тестировании лекарств.
По мнению профессора Ре Судо из Университета Кэйо, сочетание технологий лазерной микрообработки и микрофлюидных систем открывает новые горизонты для медицины будущего. Новая технология позволит перейти от животных моделей к высокоточным лабораторным аналогам, что может в корне изменить весь существующий процесс тестирования лекарств.
Ранее мы рассказывали о том, как мини-мозг из человеческих клеток на чипе управляет роботом: прочесть об этом и увидеть видео можно здесь.
