Плотный барьер из эпителиальных кишечных клеток на чипе дает течь, когда на него действуют аспирином.

Когда мы создаем какое-то лекарство, то рано или поздно приходится проверять его на живом объекте, и прежде всего это клеточные культуры. Но клетки, пусть и в «коллективе», все же сильно отличаются от полноценного организма, или органа, или даже ткани. Для более корректных результатов нужны испытания на животных и на людях. Но с животными и людьми невозможно в деталях проследить все процессы, которые происходят у них внутри, и о каких-то реакциях приходится догадываться по очень косвенным признакам.

Эпителиальные выросты кишечника. (Фото: Holly Ingraham / David Julius labs.)

«Кишечный» чип в общем виде и одна из его ячеек. (Фото: Sebastiaan J. Trietsch / Nature Communications 8, 2017.)

Кроме того, организм – система очень сложная и взаимосвязанная, и с ним очень трудно бывает понять, из-за чего случились изменения – из-за непосредственного ли воздействия нашего вещества на изучаемый орган, либо же от косвенного влияния каких-то других факторов.

В идеале, конечно, нужен метод, который позволял бы обращаться с отдельными органами так, как с лабораторными животными. Именно таких методов пока что нет, но зато есть кое-что другое. В последнее время исследователи все чаще используют либо органоиды – очень маленькие подобия тех или иных органов, выращенные из стволовых клеток, либо так называемые органы на чипах.

Органоиды воспроизводят не весь орган целиком, но какой-то элемент его структуры – для примера можно вспомнить микрожелудок, созданный в прямом смысле слова в пробирке. Такие микроорганы довольно сильно похожи на настоящие, разумеется, с поправкой на размеры и ограниченную функциональность.

Органы на чипе делают иначе: клетки высаживают на какой-то сложноустроенный чип, который сделан так, чтобы вместе с клетками имитировать некий биологический процесс. Например, есть так называемые «легкие на чипе»: несколько слоев клеток контактируют, с одной стороны, с кровью, с другой – с воздухом, при этом клеточные слои то растягивают, то сжимают, как в настоящих дышащих легких. А не так давно мы рассказывали о том, как исследователи из Северо-Западного университета сумели посадить на чип женскую половую систему, и наблюдали на таком чипе все стадии менструального цикла.

Сотрудники Лейденского университета вместе с коллегами из биотехнологической компании Mimetas и фармацевтической компании Roche описывают в своей статье в Nature Communications еще один пример органа на чипе – на сей раз это кишечник. Нельзя сказать, что раньше таких кишечных чипов не появлялось, однако, по словам авторов работы, другие чипы не учитывают несколько важных особенностей кишечного эпителия.

Кишечник, по сути, трубка со всасывающими стенками, и кишечный чип – это очень много микротрубочек-микроканальцев, выстланных эпителиальными клетками кишки. По трубкам идут разные растворы с разными веществами, и мы наблюдаем, как клетки на них реагируют. Они, как известно, должны не только переправлять нужные вещества в кровь и лимфу, но еще и служить барьером против ненужных веществ. Если эпителиальный барьер дает течь, то можно ожидать проблем со здоровьем, и как раз такие микропробои на клеточном уровне было бы очень удобно наблюдать на чипах.

В настоящем кишечнике клетки контактируют не только друг с другом – позади них находится еще внеклеточный матрикс – особая субстанция, состоящая из белков, гликопротеинов, протеогликанов и других биомолекул. Матрикс служит клеткам для опоры, через него они обмениваются разными химическими сигналами. В кишечнике внеклеточный матрикс помогает эпителиальным клеткам «держать строй», от него же во многом зависит их способность правильно реагировать на химические сигнальные молекулы.

Новая модель кишечного чипа отличается от прежних как раз тем, что в ней клетки в каналах чипа сидят на особой гелеобразной массе, имитирующей внеклеточный матрикс. Кроме того, слой клеток формируется в потоке питательной среды, под действием гидродинамических сил, подобно тому, как это происходит в самом кишечнике.

На одном таком чипе расположены целых 357 кишечных микротрубок, так что тут можно проверить на совместимость с кишечником довольно много различных соединений одновременно. Но когда мы испытываем какие-то потенциальные лекарства, нам важно знать не только то, оказывают ли они положительный эффект, но и возможные негативные побочные последствия. Можно ли такие побочные последствия увидеть на чипе?

Чтобы узнать это, исследователи добавили в кишечные микротрубки обычный аспирин, который, как известно, повреждает эпителий – из-за аспирина в нем появляются те самые микропробои, перфорации в клеточном слое. Оказалось, что аспирин вредит и кишечнику на чипе тоже, и что с таким устройством можно точно рассчитать диапазон концентраций и время, за которое в эпителии появятся дыры.

Авторы работы утверждают, что эпителиальные клетки в чипе были похожи по молекулярным характеристикам на те клетки, что выстилают настоящий кишечник – в целом новый чип довольно сильно похож на настоящий орган (что подтверждается и его реакцией на аспирин). То, что на нем можно выполнять большое количество измерений, делает его удобным для разнообразных биомедицинских тестов. Так что в будущем, возможно, подобные устройства смогут заменить подопытных животных в лабораториях – тем более, что на такой чип можно посадить и другие типы клеток.