Ученые из КНР разработали устройство, которое позволит в будущем создать эффективное лекарство от кишечной формы коронавируса. Прибор представляет собой миниатюрный кишечник на чипе. Устройство культивирует человеческие клетки на специальной подложке, за счет чего удается имитировать работу органов желудочно-кишечного тракта. Испытание препаратов от коронавируса на таких моделях может быть эффективнее, чем стандартные доклинические исследования на лабораторных животных, считают российские эксперты. Специалисты смогут отследить процесс инфицирования коронавирусом и эффект терапии в режиме реального времени в максимально приближенных к реальным условиях.
Пробирает до кишок
Ученым уже известно, что помимо респираторной инфекции новый коронавирус способен принимать кишечную форму. Но что именно происходит в ЖКТ человека во время инфицирования, понять пока не удалось. Отсутствие знаний вызывает трудности в плане лечения и диагностики такой формы COVID-19.
Ученые отдела биотехнологии Даляньского института химической физики Китайской академии наук изучили процессы инфицирования коронавирусом органов ЖКТ с помощью сконструированного кишечника на чипе (в данном случае чипом называют специальную микрофлюидную подложку).
«Мы создали модель кишечника на чипе, которая позволяет воссоздать релевантную патофизиологию кишечной инфекции, вызванной SARS-CoV-2», — сказано в статье.
Кишечник человека содержит сложные многоклеточные компоненты. Но сейчас SARS-CoV-2 изучают на основе монослойных культур эпителиальных клеток кишечника. У таких моделей есть ограничения: они чрезмерно упрощены и не могут воспроизвести то, что на самом деле происходит внутри человеческого организма. Более того, им не хватает специфического микроокружения, то есть постоянно циркулирующих физиологических жидкостей.
В разработанном китайскими специалистами мини-кишечнике воссозданы все ключевые особенности человеческого эпителия и эндотелия сосудов. Эти структуры формируются из стволовых клеток человека, которые культивируются на чипе. Сами микрочипы представляют собой кусочки пластика размером с предметное стекло (25 на 75 мм), сообщил «Известиям» заведующий лабораторией микрофизиологических систем Школы биомедицины ДВФУ Дмитрий Хушпульян.
— Они снабжены системой микроканалов, разделенных мембраной. Таким образом образуется верхняя и нижняя камеры канала, — пояснил эксперт. — На обеих сторонах мембраны возможно культивировать человеческие клетки сосудов (внизу) и эпителия (наверху). Тем самым можно имитировать различные барьерные ткани, в том числе кишечник, плаценту, легкие и прочее.
Основной потенциал новой модели в том, что с ее помощью можно исследовать механизмы инфицирования SARS-CoV-2 на клетках человека в лабораторных условиях в реальном времени и вести поиск лекарственных препаратов, отметил Дмитрий Хушпульян.
Чипировать COVID
Китайские ученые культивировали в чипе клетки эпителия кишечника и клетки эндотелия сосудов на специальной мембране. Затем мини-кишечник инфицировали SARS-CoV-2. Клинический изолят вируса получили из центра по контролю и профилактике заболеваний провинции Гуандун, указано в статье.
В результате эксперимента кишечный эпителий продемонстрировал проницаемость для коронавирусной инфекции и явные морфологические изменения. Это указывает на разрушение целостности кишечного барьера, вызванное вирусом. Более того, эндотелий сосудов также продемонстрировал аномальное строение клеток. Кроме того, ученые зафиксировали изменения слизистого слоя, которые могут объяснить такие симптомы, как диарея и геморрагический колит у пациентов с COVID-19.
Полученные данные важны для понимания того, как именно коронавирус повреждает кишечник и на какие клетки нужно воздействовать во время терапии. Как утверждают ученые, исследования с помощью микрочипов позволят разработать наиболее эффективные лекарства от COVID-19. Поскольку чипы состоят, как правило, из прозрачного пластика, у ученых есть возможность наблюдать за тканью в реальном времени через микроскоп. Такие устройства хорошо имитируют реальные условия существования клеток в организме, сказал Дмитрий Хушпульян.
Не ловить мышей
Сама технология создания подобных чипов известна довольно давно. Одним из наиболее известных устройств такого типа были микрофлюидные чипы («легкое на чипе» и «кишечник на чипе»), представленные в 2012 году сотрудниками Гарвардского университета под руководством Дональда Ингбера. Как указано на сайте проекта, особенностью американских чипов стало наличие дополнительных вакуумных каналов внутри устройства, которые позволяют сокращать мембрану, имитируя перистальтику для лучшей корреляции с реальными условиями в кишечнике.
Несколько институтов в России ведут подобные исследования. Одними из лидеров направления считается факультет биологии и биотехнологии Высшей школы экономики, который возглавляет член-корреспондент РАН Александр Тоневицкий. Совместно с Институтом биоорганической химии РАН во ВШЭ открыта лаборатория микрофлюидных технологий для биомедицины, в которой идут работы по созданию и изучению моделей кишечника на чипе, печени на чипе, плаценты на чипе, мозга на чипе и ряда других органов.
— Когда вы исследуете что-то на мышах, очевидно: вы лечите мышей, — сказал «Известиям» руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павле Волчков. — Однако эффекты, наблюдаемые у животных, не всегда повторяются на человеке. Поэтому сейчас начали делать химерные системы, то есть внедрять мышам человеческие гены. Но таких животных создавать долго и затратно. Поэтому как альтернатива могут быть использованы такие искусственные системы.
Результаты, полученные на чипах, действительно точнее коррелируют с реальными данными по сравнению с результатами экспериментов на животных. А в случае с SARS-CoV-2 исследования на животных практически невозможны, поскольку вирус адаптирован именно к человеческим, а не животным клеткам, рассказал «Известиям» младший научный сотрудник Международной лаборатории микрофизиологических систем факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ Степан Нерсисян.
По его словам, уже получены генетически модифицированные грызуны, клетки которых экспрессируют человеческие рецепторы к коронавирусу, что делает их восприимчивыми к COVID-19. Но весь организм животного по-прежнему остается лишь отдаленно похожим на человеческий. Отличия есть как на уровне генов и белков, так и на уровне анатомии и физиологии.
— Модели органов на чипе позволяют изучать механизмы развития вирусной инфекции и оценивать эффективность тех или иных методов лечения, в том числе COVID-19, перед тем как переходить к клиническим исследованиям с участием людей, — отметил эксперт.
Как поясняют ученые, в условиях пандемии, когда лекарство необходимо создать как можно быстрее, это может стать спасительной стратегией. Что касается разработчиков из Китая, то они уверены, что кишечник на чипе ускорит исследования вируса и разработку новых терапевтических средств.