logo

Пользовательского поиска

Friday 20th of July 2018

Ученые создали живое дышащее легкое на микрочипе

Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 
Актуальные темы - Вести из лабораторий
Автор: Administrator   
27.06.2010 22:49

 

Ученые объединили микротехнологические методы, используемые в производстве компьютеров, человеческие клетки и простой старый добрый вакуумный насос для создания живых, дышащих человеческих легких на чипе. Устройство имитирует самую функциональную часть легких – границу между альвеолой и кровью.

 

Ученые объединили микротехнологические методы, используемые в производстве компьютеров, человеческие клетки и простой старый добрый вакуумный насос для создания живых, дышащих человеческих легких на чипе. Устройство имитирует самую функциональную часть легких – границу между альвеолой и кровью. (Фото: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)

 

 

Ученые из Института бионики Висса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Гарвардского университета (Harvard University), Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) и Бостонской детской больницы (Children's Hospital Boston) создали устройство, имитирующее живое, дышащее легкое на микрочипе. Устройство, размером с резиновый ластик, ведет себя подобно легким человеческого организма и сделано с использованием клеток человеческого легкого и кровеносных сосудов.


Так как созданное устройство полупрозрачно, оно представляет собой окно в скрытую от глаз работу человеческого легкого, не требуя грубого вторжения в живой организм. Оно вполне может стать ценным инструментом для изучения влияния находящихся в окружающей среде токсинов и поглощения аэрозольных терапевтических средств, а также для проверки безопасности и эффективности новых лекарственных препаратов. Такой инструмент может ускорить фармацевтические разработки за счет снижения зависимости от используемых в настоящее время моделей, при которых на тестирование одного вещества тратится до 2$ миллионов.

«Способность легкого на чипе прогнозировать поглощение наночастиц и имитировать воспалительную реакцию, вызванную патогенными микроорганизмами, является лучшим доказательство того, что органы на чипах смогут в будущем заменить многие животные модели», - говорит директор-основатель Института Висса и старший автор исследования Дональд Ингбер (Donald Ingber).

Статья о разработке опубликована в журнале Science.

До сих пор созданные биоинженерами микросистемы были ограничены либо механически, либо биологически, говорит Ингбер. «Но мы действительно не можем понять, как работает биология как таковая, пока не поставим ее в физический контекст настоящих живых клеток, тканей и органов».

С каждым вдохом воздух входит в легкие и наполняет микроскопические воздушные пузырьки – альвеолы. Кислород передается через тонкие эластичные проницаемые мембраны легочных клеток в систему кровообращения. Именно эта мембрана – трехслойная поверхность из легочных клеток, проницаемого экстрацеллюлярного матрикса и клеток капиллярных кровеносных сосудов – выполняет тяжелую работу легких. Более того, на границе между легкими и кровью происходит распознавание патогенов, таких как вдыхаемые бактерии, и токсинов, и происходит активация иммунной системы.

Так как легкие-микрочипы полупрозрачны, исследователи могут легко наблюдать под микроскопом за различными реакциями живой ткани на внешние раздражители.

 

Так как легкие-микрочипы полупрозрачны, исследователи могут легко наблюдать под микроскопом за различными реакциями живой ткани на внешние раздражители. (Фото: Felice Frankel)

 

 

Микроустройство легкое на чипе представляет собой новый подход к тканевой инженерии, так как в нем применяются два слоя живых тканей – выстилка альвеол и окружающие их кровеносные сосуды - по разные стороны от пористой эластичной мембраны. Воздух поступает к клеткам выстилки легких, богатая культуральная среда - в капиллярные каналы, имитируя кровь, а циклическое механическое растяжение выполняет функцию дыхание. Устройство создано на основе новой микротехнологической стратегии, использующей резиновые материалы. Пионером-разработчиком этой стратегии является другой научный сотрудник Института Висса – профессор Гарвардского университета Джордж Вайтсайдс (George Whitesides).

«Дыхание работает за счет создания вакуума, когда грудная клетка расширяется и воздух засасывается в легкие, заставляя растягиваться стенки альвеол», - говорит первый автор исследования Дэн Ху (Dan Huh). «Использование вакуума для имитации этого процесса в нашей микроинженерной системе основано на принципах, используемых природой».

Чтобы проверить, насколько хорошо легкое на чипе воспроизводит естественные реакции настоящих легких на раздражители, ученые проверили их реакцию на вдыхаемые живые бактерии Е. coli. В воздушный канал на легочной стороне устройства они ввели бактерии, а в кровеносный канал на противоположной стороне влили белые кровяные клетки. Клетки легких обнаружили бактерии и, через пористую мембрану, активировали клетки кровеносных сосудов, которые в свою очередь вызвали иммунный ответ, в конечном итоге заставивший белые клетки крови переместиться в воздушную камеру уничтожить бактерии.

«Реалистично воссоздать как механическую, так и биологическую стороны того, что происходит в естественных условиях – захватывающее достижение», - говорит Рустем Исмагилов (Rustem Ismagilov), профессор Университета Чикаго (University of Chicago), специализирующийся на биохимических микрофлюидных системах.

Продолжением этого эксперимента было «реальное применение устройства». В воздушный канал ученые ввели различные наноразмерные частицы. Некоторые из этих частиц входят в состав коммерческих продуктов, другие обнаруживаются в загрязненных воздухе и воде. Несколько типов таких частиц попали в клетки легких и вызвали в них повышенное образование свободных радикалов и воспаление. Многие из частиц прошли через модельные легкие в кровяной канал, и ученые обнаружили, что механическое дыхание в значительной степени усиливает поглощение наночастиц. Бенджамин Мэттьюз (Benjamin Matthews), адъюнкт-профессор Гарвардской медицинской школы, проверил эти результаты на мышах.

«Самое важное, что мы узнали из этой модели, это то, что акт дыхания увеличивает поглощение наночастиц, играя важную роль в проявлении их токсичности», - резюмирует Ху.

Дэн Ху (Dan Huh) и Дональд Ингбер  (Donald Ingber) использовали легкое на чипе для демонстрации того, что дыхание усиливает поглощение наночастиц.

 

Дэн Ху (Dan Huh) и Дональд Ингбер (Donald Ingber) использовали легкое на чипе для демонстрации того, что дыхание усиливает поглощение наночастиц. (Фото: Joshua Touster)

 

 

 

«Такое легкое на чипе объединяет в себе целый ряд новейших технологий», - считает профессор Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) Роберт Лангер (Robert Langer). «Я думаю, оно может оказаться полезным при тестировании безопасности воздействия на легкие различных веществ, но я могу представить и другие сферы его применения, например, изучение функционирования легких».

По словам Исмагилова, предсказывать, насколько успешной окажется эта сфера исследований, пока рано. Тем не менее, «потенциальное использование человеческих клеток для создания упрощенной модели сложных механических свойств и химического микроокружения какого-либо органа может привести к поистине революционному изменению парадигмы разработки лекарственных средств».

Исследователи еще не продемонстрировали возможности системы имитировать газообмен между альвеолами и кровью, основную функцию легких, но сейчас они заняты именно этим.

Ученые также работают над созданием моделей других органов, таких как кишечник и костный мозг на микрочипе, и даже над моделью рака. Кроме того, они изучают потенциальную возможность объединить целые системы органов.

Например, Ингбер сотрудничает с адъюнкт-профессором Школы инженерии и прикладных наук (School of Engineering and Applied Sciences) Гарвардского университета Кевином Кит Паркером (Kevin Kit Parker), создавшим сердце на чипе. Они надеются объединить модель дышащего легкого с моделью сокращающегося сердца. Сочетание инженерных органов можно использовать для тестирования ингаляционных препаратов и выявления новых и более эффективных терапевтических средств, не оказывающих неблагоприятных побочных эффектов на сердце.

Исследование было профинансировано Национальным институтов здравоохранения (National Institutes of Health), Американской кардиологической ассоциацией (American Heart Association) и Институтом бионики Висса Гарвардского университета.

 

 

 

 

По материалам

Living, breathing human lung-on-a-chip: A potential drug-testing alternative

 

Оригинальная статья:

Dongeun Huh, Benjamin D, Matthews, Akiko Mammoto, Martin Montoya-Zavala, Hong Yuan Hsin, Donald E. Ingber. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip

 

© «Ученые создали живое дышащее легкое на микрочипе». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на страницу Вести из лабораторий.

 

Related Articles:
 

Vinaora Visitors Counter

mod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_counter
mod_vvisit_counterToday306
mod_vvisit_counterYesterday1287
mod_vvisit_counterThis week5592
mod_vvisit_counterLast week6681
mod_vvisit_counterThis month18003
mod_vvisit_counterLast month29238
mod_vvisit_counterAll days4052449

We have: 41 guests, 7 bots online
Your IP: 54.81.244.248
 , 
Today: Июл 20, 2018

RSS

Новое на LST

Работает на Joomla!. Valid XHTML and CSS.