XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Прежде чем выйти на рынок или быть испытанным на человеке, любой лекарственный препарат или косметическое средство, должно пройти тестирование на животных. Кто или что может адекватно их заменить, например, в доклинических исследованиях?

Наиболее перспективными здесь общепризнаны биочиповые технологии, которые можно объединить под названием «человек-на-чипе». Это устройства - микробиореакторы, в которых функционируют миниатюрные клеточные модели различных органов и тканей человеческого тела. Испытывая токсичность того или иного вещества на уменьшенной модели, можно получить информацию о его влиянии на реальный человеческий организм.

Разработкой технологии «человек на чипе» занимаются научно-исследовательские группы в Европе, США и России. 

В чем преимущество микробиореактора? Это платформа, на базе которой можно исследовать воздействие различных веществ на модели органов человека. Одновременно можно использовать несколько моделей - кожи, печени, нейрональной ткани, кишечника, почек, моделируя таким образом систему.
Первый подход создания органов — из клеточных линий, которые стандартизованы и одинаковы во всех лабораториях мира, второй — из материала биопсии, которую получают от конкретного пациента.

Основа микробиореактора - это живые эукариотические клетки, на которых тестируют действие веществ. При создании чипа организм человека уменьшен в 100 000 раз. Чипы изготовлены из гибкого полимера со множеством микроскопических каналов, имитирующих систему кровообращения. Насос на чипе сконструирован таким образом, чтобы создавать небольшое сжатие-растяжение клеток, как это происходит при пульсировании крови от сердечных сокращений. Пористые, гибкие мембраны помещаются внутрь каналов и клеток «человека», выращенных или имплантируемых из материала, собранного во время хирургических операций. Кровь представлена жидкостью, богатой питательными веществами и способной переносить кислород. Так в случае с «легкими» кровеносные сосуды переносят и пропускают кислород через слизистую оболочку. Вся конструкция может сокращаться, как и настоящие легкие.

Микробиореактор состоит из двух модулей:

Одноразовый клеточный блок, в котором происходит культивирование клеток и расположены ключевые датчики для определения их физиологического и функционального состояния

Блок управления, осуществляющий поддержку и регуляцию параметров клеточного блока (температуры, скорости и пути циркуляции питательной среды), а также первичную обработку сигналов от сенсоров, расположенных в сменном клеточном блоке (определение концентрации ключевых клеточных метаболитов)

Блок управления будет иметь возможность подключения к персональному компьютеру, на котором с помощью специально разработанного программного обеспечения будет осуществляться управление микробиореактором, а также анализ и интерпретация данных, полученных в процессе культивирования клеток и определения их основных параметров.

Микробиореактор позволяет осуществлять длительное сокультивирование клеточных культур (моделей органов и тканей), при этом - с тонким мониторингом их состояния, которое дает возможность проводить тестирование веществ различного назначения для выявления их возможного действия на организм человека.

Разрабатываемый микробиореактор ориентирован на применение в области и лабораторной диагностики, анализ чувствительности, например, раковых клеток определённого человека к лекарственным препаратам. Эта технология позволит добиться максимальной эффективности лечения конкретного пациента. Микрофизиологические системы, имитирующие один орган, могут успешно применяться для исследований органов. Эта разработка позволяет точно предсказать фармакокинетику препаратов, их распределение, метаболизм и вывод из организма. Такой подход к решению проблемы доклинических исследований не только может поднять уровень эффективности и прогнозирования для человека, у него есть шансы существенно снизить риски побочных эффектов. И второе направление - это экология. Возможно будет смотреть на влияние выбросов заводов, продуктов нефтехимического синтеза и других загрязняющих веществ. Можно создавать мобильные лаборатории, которые помогут в течение короткого промежутка времени тестировать микрофлору и микрофауну, например, водоёмов.