Ученые создали дышащее человеческое «легкое на чипе» из клеток одного донора
Исследователи из Института Фрэнсиса Крика (Великобритания) совместно с биотехнологической компанией AlveoliX разработали первую модель человеческого «легкого на чипе», полностью созданную из стволовых клеток одного человека. Новая система воспроизводит дыхательные движения и ранние стадии заболеваний легких, включая туберкулез, и открывает путь к персонализированному тестированию лекарств. Результаты опубликованы в Science Advances.
Альвеолы — крошечные воздушные мешки в легких — играют ключевую роль в газообмене и служат первой линией защиты от вдыхаемых патогенов. Чтобы изучить, как именно инфекции взаимодействуют с тканями легких, ученые используют технологии «орган на чипе» — миниатюрные устройства с каналами и отсеками, имитирующими работу органов.
До сих пор модели «легкого на чипе» создавались из смеси клеток разных доноров и коммерческих линий, из-за чего они не могли точно воспроизводить индивидуальные особенности организма. В новой работе исследователи впервые использовали только генетически идентичные клетки, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток одного донора.
Имитация болезни
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) — это клетки взрослого человека, которые в лабораторных условиях были «перепрограммированы» обратно в состояние стволовых. Изначально такие клетки могут быть, например, кожными или кровяными. С помощью специальных факторов ученые возвращают их в состояние, при котором они снова способны превращаться почти в любой тип клеток организма — в данном случае в альвеолярные эпителиальные клетки легких, эндотелий сосудов и иммунные клетки. При этом iPSC сохраняют полный набор генов конкретного донора.
Ученые получили альвеолярные эпителиальные клетки I и II типов, а также сосудистые клетки, которые выращивались по разные стороны ультратонкой мембраны внутри чипа AlveoliX, формируя барьер воздушного мешка. Для имитации дыхания устройство создает ритмичные трехмерные растягивающие движения. Это стимулировало образование микроворсинок — важного элемента альвеол, увеличивающего площадь поверхности для газообмена.
Затем в систему добавили макрофаги — иммунные клетки, также полученные из стволовых клеток того же донора, — и ввели бактерии туберкулеза. В зараженных образцах исследователи наблюдали формирование крупных скоплений макрофагов с некротическим центром (структура, возникающая на ранних стадиях туберкулезной инфекции в легких), окруженных живыми клетками. Их появление в модели «легкого на чипе» показывает, что система воспроизводит реальные процессы, происходящие в человеческих альвеолах на ранних, ещё клинически незаметных этапах туберкулеза. Через пять дней после инфицирования эпителиальный и эндотелиальный барьеры разрушались, что указывало на нарушение функции альвеол.
Необходимость для науки и медицины
По словам Макса Гутьерреса, старшего автора исследования, такие чипы особенно важны на фоне растущего запроса на альтернативы экспериментам на животных. Они позволяют точнее моделировать человеческие инфекции, избегая различий между животными и людьми.
Авторы подчеркивают, что технологию можно адаптировать для стволовых клеток людей с конкретными генетическими мутациями, чтобы, например, изучать индивидуальную восприимчивость к туберкулезу и проверять эффективность антибиотиков. Туберкулез развивается медленно, и новая модель позволяет заглянуть в «невидимые» ранние стадии болезни. В дальнейшем исследователи планируют расширить систему, добавив другие типы клеток.
