Конец подопытных кроликов

Очень скоро «человеческий чип» сможет заменить эксперименты на животных.

Чипсет или набор микросхем, разработанный исследователями из Израиля и США, может революционизировать создание новых лекарственных препаратов: сэкономить время, сократить сам процесс разработки и избежать экспериментов на животных.

Результаты этого поистине сенсационного исследования были впервые опубликованы на днях в журнале Nature Biomedical Engineering. В частности, указывается, что в проекте под непосредственным руководством тель-авивского и Гарвардского университетов приняли участие 57 специалистов со всего мира — из различных НИИ и компаний по разработке лекарственных препаратов.

Чипами, имитирующими человеческие органы, занимаются не впервые. К примеру, два года назад в тель-авивском университете разработали organ-on-a-chip, имитирующий действие гематоэнцефалического барьера (ВВВ), который защищает ткани мозга, а в других местах были разработаны чипы сердца, почек, кишечника и многое другое.

И все же новому чипсету, похоже, удастся одолеть особенно серьезные препятствия на пути к тому, чтобы эта система стала ведущим игроком в сфере чипирования. Это – первая система, способная соединять микросхемы и моделировать взаимодействие между различными органами. При этом чипсет может быть платформой для экспериментов, которая предоставит информацию о воздействии различных лекарств и веществ на жизненно важные системы и органы. На данный момент чипсет включает в себя имитацию десяти органов и систем организма: сердца, мозга, кишечника, печени, почек, легких, кожи, гематоэнцефалического барьера и костного мозга.

То, что связывает и соединяет эти органы, это «универсальная кровь» — эмульсия, разработанная исследователями, одна из самых сложных задач в этом процессе. «Чтобы поддерживать живые и функционирующие клетки, нужна жидкость, которая позволяет им существовать, и вписывается во все типы клеток, — пояснил доктор Бен Маоз с кафедры биомедицинской инженерии и Школы нейробиологии мозга тель-авивского университета), один из лидеров международного проекта. – Это была серьезная проблема, которую пришлось решать, что, в конечном итоге, и привело к тому, что мы назвали «универсальной кровью» — специальная поддержка, включающая, среди прочего, гормоны, витамины и минералы, все то, что позволяет клеткам функционировать».

Миллионы от министерства обороны

Проект чипсета стартовал восемь лет назад в Гарварде, он оценивается в десятки миллионов долларов и финансируется министерством обороны США.

Маоз, входивший тогда в группу американских исследователей, впоследствии вернулся в Израиль, и это положило начало сотрудничеству между двумя университетами.

Сама система состоит из множества компонентов — биологических и технологических — и над некоторыми из них работают годами. Внешне «чипы» — это пробирки, содержащие живые клетки, около десяти тысяч клеток на орган. Чипы связаны друг с другом через трубки, по которым течет «универсальная кровь», поддерживающая клетки и связи между органами.

В процессе тестирования препарата в соответствующий чип, имитирующий тот или иной орган, вводится лекарственное вещество, и начинается процесс изучения его воздействия на различные органы, включая лабораторные исследования, компьютерные операции и математические алгоритмы, разработанные, как часть чипсета.

«Одна из проблем была связана с размером и истинной трактовкой воздействия на орган, — говорит Маоз. – К примеру, в печени двести миллиардов клетов, а у нас около десяти тысяч чипов. Потому мы используем множество вычислительных моделей, чтобы решить проблемы масштаба».

Разработка лекарственных средств схожа с бегом на длинные дистанции. Иногда это длится более десяти лет, а в некоторых случаях даже два десятка лет, когда в новый препарат может быть вложено до миллиарда долларов. Во многих случаях это – стрельба из пушки по воробьям, когда деньги просто пущены на ветер. Лишь одна из десяти тысяч молекул на начальном этапе лабораторных исследований в конечном итоге станет лекарством, и только 2.5 процента лекарств, которые успешно минуют фазу клинических испытаний на людях, попадут на рынок лекарств. Помимо финансовой составляющей, процесс сопровождаются также аспектами регулирования и этики.

Разработанный исследователями чипсет был опробован на двух препаратах. Первый из них — на основе никотина, вещество, которое обычно принимается перорально, чтобы отвратить пациента от курения, и в настоящее время тестируется, как лекарство от дегенеративных заболеваний и хронических кишечных инфекций.

«Для лекарств, принимаемых перорально, это имеет большое значение, поскольку они связаны с процессом всасывания лекарства в организме — через кишечник, который его поглощает, печень, которая его расщепляет, и, наконец, почка, которая фильтрует вещество, — объясняет Маоз. — Именно поэтому для никотина мы помещаем чипы в эти три органа на нашей платформе». Вторым препаратом, который испытывался, стал цисплатин, распространенный компонент внутривенной химиотерапии рака. Для него были введены система печеночных и почечных чипсов, а также чип костного мозга — сильно пострадавший от препарата.

Следующий этап исследования состоял в том, чтобы адаптировать результаты, полученные на инновационной платформе, к человеческому организму, как к общей системе, и устранить пробелы. С этой целью исследователи разработали вычислительные модели, которые переводят полученные в системе значения в эквивалентные результаты клинических испытаний на людях. Действительно, комбинация автоматизированной системы organ-on-a-chip и вычислительных моделей дала значения, близкие к тем, что наблюдались в клинике у реальных пациентов.

Персональный чип для подбора препаратов

«Конечно, это еще не чипсет, который имитирует все системы организма и функцию каждого органа, — говорит Маоз. – Однако нам впервые удалось разработать надежную и гибкую платформу organ-on-a-chip, которая дает результаты, близкие к реальным результатам у людей. Мы хотели бы, чтобы такие системы обеспечивали все, что необходимо для разработки препаратов до стадии экспериментов на людях и проведения предварительных экспериментов на животных».

По словам Маоза, речь идет о чипсете, который имитировал бы все функции человеческого организма – то есть о системе, которая была бы адаптирована ко всем больным, прогнозируя эффективность и влияние лекарства на конкретного пациента.

Идо Эфрати, «ХаАрец», М.К. Фото: Томер Аппельбаум