Идеи тенсегрити в инженерной биологии

Дональд Ингбер

Дональд Ингбер — биолог, знаменитый своим инженерным взглядом на живые объекты, благодаря которому ученый сделал несколько открытий в области биологии клетки (например, о влиянии механических воздействий на активность генов). Автор идеи «органа на чипе» — простейшей клеточной системы, расположенной на пластинке стандартного размера и воспроизводящей основные функции моделируемого органа. Создал множество органов на чипах, и сейчас работает над объединением десяти таких органов в «человека на чипе».

До начала двухтысячных Дональд Ингбер исследовал биологию рака — параметры, влияющие на развитие опухолей и метастазирование раковых клеток. При этом ученый смотрел на живую клетку как инженер. На подход ученого к исследованиям клеточной биологии повлияла, как ни странно, одна необычная скульптура, которую Дональд Ингбер увидел в середине 70-х годов. Скульптура была сконструирована по принципу тенсегрити. Такие конструкции состоят из прочных балок, которые не касаются друг друга благодаря системе натянутых тросов. Вся структура поддерживается за счет точно сбалансированных натяжений гибких элементов. Дональд Ингбер предположил, что и структура живой клетки может поддерживаться благодаря тем же принципам. И действительно, ему удалось показать, например, что приложенные к поверхности клетки механические воздействия могут повлиять на форму ее ядра и даже на экспрессию генов. Глубокое понимание того, как механические силы влияют на структуру и функцию клеток, помогло ученому продвинуться в исследовании биологии рака.

Вероятно, такое стремление ввести исследования клетки в более понятную, «механическую» плоскость, в конце концов и привело Дональда Ингбера к идее органов на чипах. Орган на чипе — это пластинка размером не более кредитной карточки. В пластинке есть ячейки, заселенные клетками определенных типов. Ячейки соединяются каналами, имитирующими кровоток или обмен тканевой жидкости между группами клеток органа. Разумеется, такое устройство не отражает форму природного органа, но зато в максимально компактной и контролируемой форме моделирует саму суть его работы. Жизнедеятельность клеток в органе на чипе нужно поддерживать, помещая чип в специальный реактор, который прогоняет по каналам чипа питательные растворы под правильным давлением и поддерживает определенную температуру и содержание растворенных газов в этих жидкостях.

Важнейшее преимущество органов на чипах соответствует технологическим трендам: это модульность — возможность составлять из таких устройств разные комбинации. Чипы, изображающие различные органы, можно соединять между собой, чтобы изучать влияние этих органов друг на друга, моделировать передвижения болезнетворных микробов по различным системам организма или же изучать, что происходит с молекулами лекарства, когда оно попадает в организм.

Первое устройство такого типа — легкое на чипе — Дональд Ингбер с коллегами разработали в 2010 году. Каналы этого устройства разделены на две части пористой мембраной, с одной стороны которой располагается слой клеток легкого, а с другой — слой клеток стенки сосуда. В той части каналов, где располагались клетки сосуда, циркулирует кровь, а та, где находятся клетки легкого, заполнена воздухом. В обе части каналов ведут специальные отверстия — туда можно добавлять лекарства или, к примеру, болезнетворных микроорганизмов, чтобы смоделировать их попадание в легкое из воздуха или с током крови.

С тех пор на чипах удалось воспроизвести работу почки, печени, а также кишечника с микробиомом и перистальтикой (рис. 4). Особенно интересной для клинических исследований оказалась разработка чипа, отражающего устройство гематоэнцефалического барьера. Разработчики воспроизвели и плотные контакты между клетками сосудов мозга, и расположение глиальных клеток — особенности, благодаря которым многие молекулы из крови не могут легко проникнуть в мозг. При тестировании прототипов лекарств очень полезно узнать, способны ли они проникать сквозь гематоэнцефалический барьер, и если да, то с какой эффективностью. Кроме этого, на чипе удалось воспроизвести устройство гематопоэтической ниши костного мозга, что крайне полезно для исследований болезней, при которых нарушается нормальное развитие клеток крови.

Рисунок 4. «Кишечник на чипе». а. Схема устройства. Гибкая пористая мембрана, выстланная эпителиальными клетками кишечника, расположена горизонтально по центру микроканала, по бокам которого находятся вакуумные камеры. б. Фотография «кишечника на чипе», состоящего из прозрачного ПДМС-эластомера (эластомера из полидиметилсилоксана). По направлению стрелок насосом заливают красную и синюю жидкости в нижний и верхний отсеки микроканала, соответственно, чтобы их визуализировать.

Закономерным образом исследователи стремятся к созданию «человека на чипе» — то есть системы из всех жизненно важных органов, в которой можно будет точнее всего изучить транспорт веществ и микробов в организме, а также влияние органов друг на друга. Помимо Дональда Ингбера в этом амбициозном проекте участвует и Линда Гриффит.

Оставить комментарий

X
X
X