Российский центр неврологии и нейронаук совместно с МГТУ им. Баумана работают над созданием уникальной биоинженерной системы — «мозг на чипе», которая способна имитировать работу ключевых барьеров и клеточных структур мозга человека. Разработка может радикально изменить подход к созданию лекарств для лечения нейродегенеративных заболеваний и значительно сократить сроки доклинических исследований.
Как рассказала член-корреспондент РАН, Алла Борисовна Салмина на недавней пресс-конференции, посвященной 80-летию Российского центра неврологии и нейронаук, технология создания «мозга на чипе» основана на сочетании микрофлюидики и цифрового моделирования. Исследователи создают на миниатюрной платформе модели гистогематических барьеров, то есть тех структур, которые в организме отделяют мозг от крови и других сред и регулируют проникновение веществ.
Одновременно с этим команда разрабатывает цифровые двойники клеток мозга, которые позволяют прогнозировать реакцию нервной ткани на новые молекулы лекарственных препаратов. Такие виртуальные модели подключаются к физическому чипу и создают единую аналитическую среду, где можно наблюдать, как «клетка» изменит поведение при контакте с веществом, не прибегая к сложным и долгим экспериментам на животных.
По словам разработчиков, одна из главных проблем классических доклинических исследований – невозможность заранее понять, проходит ли новое лекарство через гематоэнцефалический барьер и достигает ли тех структур мозга, для которых оно предназначено. Это приводит к тому, что десятки многообещающих молекул, показавших хорошие результаты на животных, оказываются неэффективными в испытаниях на людях. И зачастую, традиционный путь исследования лекарств – долгий, дорогостоящий и часто нерезультативный именно из-за недостатка данных о распределении вещества в мозге человека на ранних этапах исследований
Новый «мозг на чипе» позволяет решить эту проблему: исследователи могут видеть, насколько быстро препарат проникает через клеточные барьеры, как распределяется, не выводится ли слишком рано и влияет ли на ткани так, как ожидается. Такой подход может стать прорывом в разработке лекарств для терапии болезни Альцгеймера, Паркинсона, эпилепсии и других заболеваний, где традиционных методов лечения пока недостаточно.
По оценке экспертов, созданная платформа может вывести Россию в число мировых лидеров в области тестирования лекарств на органоидах и искусственных моделях мозга. В ближайшие годы разработчики планируют расширить функционал чипа, интегрировать новые типы клеток и добавить возможности имитации воспалительных процессов.
Что такое орган на чипе
Орган на чипе представляет собой миниатюрную биоинженерную систему, в которой живые человеческие клетки помещены на тонкую прозрачную пластинку с сетью микроканалов, то есть микрофлюидный чип. По этим каналам циркулирует жидкость, имитирующая кровоток, обеспечивая клеткам питание, кислород и необходимые сигналы. Основа чипа обычно изготовлена из гибкого полимера, позволяющего создавать камеры и мембраны, близкие по свойствам к природным тканям. В зависимости от модели в систему могут быть встроены механические элементы, воспроизводящие дыхательные движения, пульсацию сосудов или перистальтику, а также датчики, которые фиксируют изменения pH, кислородного обмена или электрической активности. В итоге клетки оказываются в среде, максимально приближённой к условиям реального органа, и ведут себя физиологично.
Создание органа на чипе начинается с изготовления структуры с помощью микролитографии или 3D-печати, после чего внутренние поверхности обрабатывают веществами, помогающими клеткам прикрепляться. Затем в каналы или на пористые мембраны заселяют клетки и подключают систему циркуляции, позволяющую регулировать потоки питательных растворов и лекарств. Когда клетки адаптируются и начинают взаимодействовать, модель приобретает функциональные свойства органа: в ней запускаются обменные процессы, барьерные функции и реакции на внешние воздействия.
Первые полноценные органы на чипе появились в начале 2010-х годов в научном подразделении Гарвардского университета - институте биоинженерии Висса (США). Одной из первых стала модель «лёгкое-на-чипе», в которой исследователи воспроизвели дыхательные движения и барьер между воздухом и кровью, а затем модели кишечника, печени, сердца и гематоэнцефалического барьера. Эти разработки быстро стали важным инструментом биомедицины: они позволяют изучать болезни, тестировать лекарства на человеческих клетках без экспериментов на животных, исследовать прохождение препаратов через физиологические барьеры и даже подбирать терапию для конкретного пациента.
Сегодня орган на чипе считается одной из ключевых технологий будущей медицины, потому что позволяет наблюдать работу человеческих тканей так же точно, как если бы исследователь смотрел внутрь настоящего органа.
Автор текста Анастасия Будаева
