При поддержке
Лабораторным мышкам — жизнь и свободу! А органы на чипе — человеку!-Рассказывает Виталий Рыжковруководитель направления бионанотехнологий НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы МГТУ им. Н. Э. Баумана и ГК «Росатом»
О том, как ученые ищут способы тестирования новых лекарств и создают реальные органы на чипах.
От техники безопасности в бионанотехнологии
Меня зовут Виталий Рыжков, я занимаюсь бионанотехнологиями в Бауманке, и мой путь в науку был очень прост: с самого детства я был очень любознательным ребенком, и в школе эта тяга к неизведанному только усилилась.
Я стремился все потрогать, изучить и даже плакаты с правилами техники безопасности меня не остановили. В итоге между мною и наукой пробежала искра — и теперь я научный сотрудник в Бауманке, пишу научные статьи, публикую их и разрабатываю приборы, которые должны сделать наш мир лучше.
Между мною и наукой пробежала искра
Что такое микрофлюидика?
Не-а. Микрофлюидика (или «микрогидродинамика») — это междисциплинарная наука, изучающая движение сверхмалых объемов жидкостей и способы манипуляции ими. Масштабы микрофлюидных устройств (чипов) не превышают микро- и нанометров. Одно из ведущих направлений современного биотеха, микрофлюидика, готовит настоящую революцию в области фармацевтики и фармакологии, обеспечивая технологическую платформу для создания лекарственных препаратов практически без побочных эффектов.
Верно! Микрофлюидика (или «микрогидродинамика») — это междисциплинарная наука, изучающая движение сверхмалых объемов жидкостей и способы манипуляции ими. Масштабы микрофлюидных устройств (чипов) не превышают микро- и нанометров. Одно из ведущих направлений современного биотеха, микрофлюидика, готовит настоящую революцию в области фармацевтики и фармакологии, обеспечивая технологическую платформу для создания лекарственных препаратов практически без побочных эффектов.
Не-а. Микрофлюидика (или «микрогидродинамика») — это междисциплинарная наука, изучающая движение сверхмалых объемов жидкостей и способы манипуляции ими. Масштабы микрофлюидных устройств (чипов) не превышают микро- и нанометров. Одно из ведущих направлений современного биотеха, микрофлюидика, готовит настоящую революцию в области фармацевтики и фармакологии, обеспечивая технологическую платформу для создания лекарственных препаратов практически без побочных эффектов.
| Дальше |
| Узнать результат |
С помощью микрофлюидного чипа мы сможем:
И не только это! Микрофлюидные системы решают широкий спектр задач в сфере мониторинга окружающей среды, включая пробы воды или почвы, нефтехимического производства, анализа продуктов питания, а также клинической диагностики — благодаря использованию перспективных устройств персонифицированной медицины («лабораторий на чипе»). Важнейшая область применения — фармацевтика, где с помощью органов на чипе станет возможным проведение испытаний новых лекарств на живых клетках органов человека без причинения вреда животным
И не только это! Микрофлюидные системы решают широкий спектр задач в сфере мониторинга окружающей среды, включая пробы воды или почвы, нефтехимического производства, анализа продуктов питания, а также клинической диагностики — благодаря использованию перспективных устройств персонифицированной медицины («лабораторий на чипе»). Важнейшая область применения — фармацевтика, где с помощью органов на чипе станет возможным проведение испытаний новых лекарств на живых клетках органов человека без причинения вреда животным
Именно так! Микрофлюидные системы решают широкий спектр задач в сфере мониторинга окружающей среды, включая пробы воды или почвы, нефтехимического производства, анализа продуктов питания, а также клинической диагностики — благодаря использованию перспективных устройств персонифицированной медицины («лабораторий на чипе»). Важнейшая область применения — фармацевтика, где с помощью органов на чипе станет возможным проведение испытаний новых лекарств на живых клетках органов человека без причинения вреда животным
| Дальше |
| Узнать результат |
Сколько животных погибает при испытании лекарств в год?
К сожалению, да. Разработка нового препарата сегодня включает несколько этапов: просчет молекулы — доклиническая фаза — клиническая фаза — вывод на рынок. Для оценки эффективности лекарственного средства и его влияния на живой организм на доклиническом этапе используются животные: минипиги и кролики, мыши и крысы, кошки, собаки, приматы. Более 100 миллионов братьев наших меньших в год отдают свои жизни за то, чтобы тот или иной препарат появился в аптеках или косметических магазинах (да-да, косметология тоже не обходится без испытаний на животных). Одна из немногих возможностей положить конец негуманным тестам — создание микрофлюидных органов и организмов-на-чипе.
К сожалению, гораздо больше. Разработка нового препарата сегодня включает несколько этапов: просчет молекулы — доклиническая фаза — клиническая фаза — вывод на рынок. Для оценки эффективности лекарственного средства и его влияния на живой организм на доклиническом этапе используются животные: минипиги и кролики, мыши и крысы, кошки, собаки, приматы. Более 100 миллионов братьев наших меньших в год отдают свои жизни за то, чтобы тот или иной препарат появился в аптеках или косметических магазинах (да-да, косметология тоже не обходится без испытаний на животных). Одна из немногих возможностей положить конец негуманным тестам — создание микрофлюидных органов и организмов-на-чипе.
К счастью, нет! Но разработка нового препарата сегодня включает несколько этапов: просчет молекулы — доклиническая фаза — клиническая фаза — вывод на рынок. Для оценки эффективности лекарственного средства и его влияния на живой организм на доклиническом этапе используются животные: минипиги и кролики, мыши и крысы, кошки, собаки, приматы. Более 100 миллионов братьев наших меньших в год отдают свои жизни за то, чтобы тот или иной препарат появился в аптеках или косметических магазинах (да-да, косметология тоже не обходится без испытаний на животных). Одна из немногих возможностей положить конец негуманным тестам — создание микрофлюидных органов и организмов-на-чипе.
| Дальше |
| Узнать результат |
Орган на чипе — это:
Могло бы быть и так. Но не в этот раз. Орган на чипе — это устройство для выращивания различных клеточных культур, состоящее из микроконтейнеров и микроканалов, симулирующих работу отдельных органов человека. Органы-на-чипе создаются для того, чтобы изучать работу и отклик живых тканей на различные физические условия, раздражители, химические соединения — в том числе молекулы новых лекарств, синтезированных витаминов или вакцин.
Верно! Орган на чипе — это устройство для выращивания различных клеточных культур, состоящее из микроконтейнеров и микроканалов, симулирующих работу отдельных органов человека. Органы-на-чипе создаются для того, чтобы изучать работу и отклик живых тканей на различные физические условия, раздражители, химические соединения — в том числе молекулы новых лекарств, синтезированных витаминов или вакцин.
Может быть, но мы об этом не знаем. Орган на чипе — это устройство для выращивания различных клеточных культур, состоящее из микроконтейнеров и микроканалов, симулирующих работу отдельных органов человека. Органы-на-чипе создаются для того, чтобы изучать работу и отклик живых тканей на различные физические условия, раздражители, химические соединения — в том числе молекулы новых лекарств, синтезированных витаминов или вакцин.
| Дальше |
| Узнать результат |
Благодаря чему в микрофлюидном органе на чипе клетки могут жить?
Не без этого, конечно. Но, чтобы клеточные культуры спокойно «жили» в каналах микрофлюидного чипа, их помещают в специальный «бульон», насыщенный питательными веществами и микроэлементами.
Не-а. Чтобы клеточные культуры спокойно «жили» в каналах микрофлюидного чипа, их помещают в специальный «бульон», насыщенный питательными веществами и микроэлементами.
Верно! Чтобы клеточные культуры спокойно «жили» в каналах микрофлюидного чипа, их помещают в специальный «бульон», насыщенный питательными веществами и микроэлементами.
| Дальше |
| Узнать результат |
Как из органов-на-чипе сделать организм на чипе?
Верно! Объединение органов на чипе, имитирующих тот или иной орган человека (легкое, кишечник, мозг, кожу и другие), в единую модульную систему, управляемую с использованием специального ПО, станет основой создания прорывного биотехнологического устройства — организма на чипе. С помощью подобных девайсов специалисты смогут комплексно изучить и оценить влияние вакцин и лекарств на организм, исключая из этого процесса животных
Это работает не так. Объединение органов на чипе, имитирующих тот или иной орган человека (легкое, кишечник, мозг, кожу и другие), в единую модульную систему, управляемую с использованием специального ПО, станет основой создания прорывного биотехнологического устройства — организма на чипе. С помощью подобных девайсов специалисты смогут комплексно изучить и оценить влияние вакцин и лекарств на организм, исключая из этого процесса животных
Может когда-нибудь в будущем. Объединение органов на чипе, имитирующих тот или иной орган человека (легкое, кишечник, мозг, кожу и другие), в единую модульную систему, управляемую с использованием специального ПО, станет основой создания прорывного биотехнологического устройства — организма на чипе. С помощью подобных девайсов специалисты смогут комплексно изучить и оценить влияние вакцин и лекарств на организм, исключая из этого процесса животных
| Дальше |
| Узнать результат |
Ой-ой-ой. Кажется, ты невнимательно читал и слушал лекцию Виталия.
Приятно, что знания из спеца, пригодились
БРАВО! Виталий просил передать, что гордится тобой!
Мы стареем, это неизбежно (пока): в нашем организме сразу несколько часовых бомб, которые начинают работать либо с самого рождения, либо по достижении 35-40 лет.
И в процессе старения люди очень преуспевают, некоторые даже сильнее, чем остальные.
Что ускоряет процесс старения?
Алкоголь
Солнечные лучи
Курение
А что замедляет процесс старения?
Занятия спортом, правильное здоровое питание, кратко — правила ЗОЖ.
как показывает практика, этот путь далеко не для всех, и поэтому второй путь — это фарма, фармацевтика, включая все витамины, минералы, БАДы, лекарства.
Самый эффективный метод продления жизни
НО,
Сейчас даже ведутся разработки в области генной терапии, которая позволит на генетическом уровне отключить некоторые из наших часовых бомб, ведущих к старению. Это очень крутая штука, и, к сожалению, ее пока не существует.
Отключить некоторые из наших часовых бомб, ведущих к старению
На данный момент самый эффективный метод продления жизни — это лекарства.
А что такое лекарства? Это невероятно сложный механизм, который должен встроиться в наш организм и заставить некоторые химические реакции идти по другому пути.
То есть у нас в организме сотни химических реакций, они цепные, продукты одной реакции являются исходными компонентами для другой, и вот мы глотаем какие-то непонятные для организма субстанции и рассчитываем, что произойдет магия и как-то это сработает и нам поможет. Какая-то фантастика.
Мышь я дрожащая или право имею?
Процесс разработки нового лекарственного препарата выглядит приблизительно так: сначала создается большое количество потенциальных препаратов, которые будут лечить болезнь, а в итоге мы получаем конверсию в 1-2 препарата на полке в аптеке.
Всё отсеивается на этапах доклинических испытаний, когда как раз используются животные.
Но тут очевидна большая проблема: организм животных, как это ни странно, отличается от организма человека (секрет, никому нельзя говорить!), и в итоге те лекарства, которые показали эффективность на доклинических испытаниях, оказываются неэффективными на стадии клинических исследований.
И только после того, как мы оттестировали препарат на маленькой группе добровольцев — сначала 10, 100, 1000, — новое лекарство может продаваться в открытом рынке, и мы можем это попробовать. В итоге из 100% разрабатываемых лекарств до рынка доходит только 20%.
Чего же нам стоит такой метод «научного тыка»? Шокирующие цифры:
И от 2 до 3 миллиардов долларов на разработку одного лекарства.
100 миллионов животных в год
Вдумайтесь! Это будут оплачивать те, кто заболеет. И вот вопрос — можно ли сделать эти испытания более эффективными, точными, надежными, этичными? Ответ — можно.
Капелькою неба лягу на твою ладонь
Барабанная дробь: нам поможет микрофлюидика. Раздел науки и техники, который управляет микро, то есть очень маленькими, объемами жидкости. По-английски — fluid.
Представьте, что вам нужно с одной каплей пробы (это приблизительно 50 микролитров) сделать манипуляции: смешать ее с еще половиночкой капли пробы в 20 микролитров и посмотреть на продукты реакции. Но у вас все застрянет на стенке пробирки — и ничего не получится.
Вам нужно с одной каплей пробы (50 микролитров) сделать манипуляции
Вам нужен новый инструмент, и этот инструмент — микрофлюидика, более того, микрофлюидные чипы — это такие компактные девайсы, в которых находятся каналы для жидкости.
Ширина этого канала — как волос человека: 50, 100 микрон. И вот в таких каналах можно управлять жидкостью, смешивать ее, разделять пробу по компонентам. Нам доступна целая тьма разных операций, которые можно выполнять и строить целые приборы, которые превосходят текущие стандартные приборы по своей чувствительности и по другим характеристикам.
Где же можно применять микрофлюидику?
Первое, где применяется микрофлюидика: это анализ жидкости.
Надо проверить, не заражена ли вода в озере, где вы хотите искупаться? Микрофлюидика.
Хотите новый метод добычи нефти протестировать? Микрофлюидика.
Хотите понять, не будет ли у вас аллергии на этот духовитый «Том Ям»? Микрофлюидика!
А в фармацевтике и медицинской биологии вообще огромное количество применений, начиная от анализов на диспансеризацию и продолжая носимыми системами для диабетиков, которые могут в режиме реального времени мониторить уровень сахара, и по другой такой системе мы можем сразу получать инъекцию инсулина в нужный момент.
ПАБАБАБАМ!!! Организм на чипе!
Но то, что нас интересует особенно сильно, — это система организма на чипе.
И клетки это чувствуют, они себя ведут почти так же, как и в реальном организме
Это такой микрофлюидный чип, состоящий из несколько частей, куда заселены живые клетки человека либо животного.
И эти живые клетки имитируют орган организма. Каждая клетка — свой орган.
Этот организм не обладает никаким сознанием, это клеточная культура, которая воспроизводит какую-то самую принципиальную деталь, структуру в каждом органе. Он позволяет сымитировать всего две вещи:
Фармакокинетика
Фармакодинамика
это то, как лекарство усваивается организмом
и какие метаморфозы с ним дальше происходят
Важно, чтобы вот эти два фактора были очень похожи на те, которые происходят в реальном организме с лекарством.
Мы взяли и сымитировали эту систему. То есть взяли мембрану, с одной стороны ее населили первым типом клеток, с другой — вторым типом клеток, и по бокам запустили два канала, которые наполняются попеременно то избыточным давлением, то, наоборот, пониженным давлением.
Как же это работает?
Допустим, захотели мы сымитировать легкие. Как они работают? Мы вдыхаем — происходит растяжение специальных структур: альвеолярных мешочков — они с одной стороны покрыты альвеолоцитами — клетками, которые населяют альвеолы, а с другой стороны, — это клетки кровеносных сосудов — эндотелиоциты.
И в итоге эти два канала растягивают мембрану, которая между ними натянута. Это как растягивается баян, когда на нем играют.
Наши коллеги из института Вайса смоделировали то, как иммунная система борется с бактериями, которые упали на слой клеток легких. И под микроскопом мы смогли увидеть процесс, который выглядит один в один как в организме человека.
В обычной жизни такое пронаблюдать невозможно, и это пример того, как микрофлюидика позволяет расширить наши возможности для изучения нас самих.
Хит моделирования в микрофлюидном чипе — это мозг!
Чтобы сделать целый организм, необходимо пройти достаточно большой путь — это задача уровня создания квантового компьютера: для этого нужно объединить несколько междисциплинарных команд — биологов, инженеров, теоретиков, физиков, которые позволят сделать еще и сенсоры к этой системе.
Сделать целый организм
И для начала нужно сделать единичные органы, которые будут хорошо работать.
Затем объединить их, добавить новые, добираясь до целой системы.
Сейчас существуют системы, которые объединяют 10 органов, но пока что они не работают, как живые организмы.
Органы, с которых было бы интересно начать: легкое — это важная часть нашей иммунной системы и путь доставки лекарств: ингаляторы для астматиков, различные антивирусные, антибактериальные спреи, дыхание над горячей картошкой...
Шучу, конечно, никого этим не лечат, кстати, это очень опасное занятие, можно получить ожог, картошка — горячая.
Следующий орган — это печень, главный фильтр организма, который принимает на себя первый удар, если мы проглотили какой-то токсин. Это первый фактор, который здесь изучается, и второй — не превращается ли лекарство при прохождении через печень в какое-то бесполезное вещество?
И третья, наиболее популярная история для моделирования в микрофлюидном чипе, — это мозг на чипе, а точнее, одна структура в нем — это гематоэнцефалический барьер, мегаважная вещь, которая есть у каждого из нас: этот барьер защищает нас от микробов, которые могут легко проникнуть в мозг, если у нас этого барьера не будет.
Все мы можем нечаянно оцарапаться — и микроб очень легко проникает в кровеносную систему. И не хотелось бы, чтобы он оттуда попадал к нам в мозг. Потому что воспаление в мозге — это гораздо более неприятная вещь, нежели где-нибудь на коже.
И в итоге эта система — гематоэнцефалический барьер — может быть смоделирована на чипе.
Мы точно так же берем два типа клеток — эндотелиоциты и астроциты, между ними находится система тонких каналов, через которые они не могут проникнуть к своим соседям.
В итоге после того, как сформированы эти два плотных барьера, можно изучать то, как либо микроб проникает через этот барьер, либо лекарство проникает через барьер.
И мы вместе с нашими коллегами из научного центра неврологии и НОЦ «Фотоника и экотехника» Бауманки разрабатываем такую систему: мы делаем ее, начиная с самого микрофлюидного чипа, вместе со всей периферией — насосики, сенсоры, которые управляют всем, что находится на чипе, и клеточная технология. То есть мы делаем все железо, а наши биологические коллеги вдыхают душу и жизнь в наши изобретения.
мы СМОЖЕМ уйти от опытов над животными!
Спросите вы меня — Виталий, а где взять клетки? Отличный вопрос. Клетки, как известно, встречаются у живых организмов, и ПОКА мы этим методом пользуемся.
Например, наши сотрудницы добывают материал из двухнедельных мышат…
И я чувствую немой укор в ваших глазах: как же так, вы хотели бороться с опытами над животными, изменить мир, а на самом деле…
И я чувствую немой укор в ваших глазах: как же так, вы хотели бороться с опытами над животными, изменить мир, а на самом деле…
Отвечаю — это не единственный источник получения клеток. Да, на данном этапе нам проще использовать его, потому что это самый доступный метод.
Но вообще-то есть еще и клеточные технологии, которые позволяют выращивать клетки вообще вне всякого организма. И одна из таких технологий — это замечательная вещь, за нее дали недавно Нобелевку:
Вы берете клетки кожи — фибробласты, обрабатываете их очень эксклюзивным коктейлем из разных веществ — и они превращаются в стволовые клетки
Эти клетки называются индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. Почему так?
Потому что они могут превращаться после этого в любые другие клетки, которые мы только захотим. Хотим вырастить печень — пожалуйста. Хотим мозг — пожалуйста, вместе с нейронами!
И в итоге мы СМОЖЕМ уйти от опытов над животными, и такие технологии в ближайшем будущем должны появиться на бауманском факультете биомедицинской техники. И мы очень сильно этого ждем.
ЧИП… и Дейл спешит на помощь!
Что такое микроэлектроника? У каждого из нас есть смартфон, и в каждом смартфоне целая вселенная микросхем. И в микросхеме очень большое количество элементов, размерами от десятков микрон и меньше. Чтобы производить такие маленькие структуры, необходимо иметь соответствующее оборудование и очень чистые условия.
Как это решается? Очень изящно! У нас целый этаж в 600 квадратных метров в герметичном пространстве. Воздух, проходящий туда, протекает через несколько ступеней фильтрации и полностью очищается от пыли. Все входящие люди в халатах, в масках, потому что так мы защищаем установки и ультрачистую среду ОТ СЕБЯ.
Одна из наших больших задач — создание универсальной системы базовых элементов для микрофлюидной лаборатории на чипе, которая будет решать целый спектр задач: от аналитики жидких сред до выращивания живых культур.
И мы преуспеваем!
Размер каналов — приблизительно сотни микрон, клетка крови человека имеет почти такой же размер.
Насладитесь эстетикой нашей работы, это мы видим каждый день — это микрофлюидный чип, который мы сделали в нашем центре.
Мы разрабатываем один из базовых элементов: микрофлюидный сенсор потока, который позволяет измерять очень маленькие потоки, чтобы дозировать реагенты на чипе в нужном соотношении.
Вы все сталкивались с такими потоками в жизни, когда вас кусали комары. Мы научились измерять такие маленькие потоки, и про это изобретение вышла статья в титульном журнале по нашей тематике «Lab on a chip» .
Приближая будущее без опытов на животных.
Следующая наша разработка — это мозг на чипе. Мы используем разработанную нами конструкцию и технологию — целиком с нуля. И такая система благодаря нашим собственным ноу-хау будет иметь конкурентное преимущество над текущими аналогами и будет решать реальные проблемы фармацевтов, приближая будущее без опытов на животных.
Руководитель проекта
Елена Куликова
Елена Куликова
Project менеджер
Александра Худорожкова
Александра Худорожкова
Ведущий продюсер проекта
Наталья Макарова
Наталья Макарова
Генераторы идей по оформлению лонгрида
Евгений Кучук
Алина Лебедева
Анастасия Павлова
Евгений Кучук
Алина Лебедева
Анастасия Павлова
Операторы
Роман Садовой
Александр Ширков
Андрей Минаев
Вячеслав Волков
Алексей Иванов
Алексей Епифанов
Роман Садовой
Александр Ширков
Андрей Минаев
Вячеслав Волков
Алексей Иванов
Алексей Епифанов
Режиссеры монтажа
Игорь Куприянов
Павел Яковлев
Игорь Куприянов
Павел Яковлев
Режиссер и редактор
Александра Лябина
Александра Лябина
Видео
В спецпроекте использованы мемы и изображения из платных и свободных источников (freepik, shutterstock, unsplash), а также кадры из фильмов «Хоббит: Нежданное путешествие» (2012, MGM. Режиссер — Питер Джексон. Сценарий: Фрэн Уолш, Филиппа Бойенс, Питер Джексон, Гильермо дель Торо, Дж. Р. Р. Толкиен. Композитор — Говард Шор), «Рик и Морти» (2013-…, Justin Roiland’s Solo Vanity Card Productions/Dan Harmon Productions. Авторы идеи: Джастин Ройланд и Дэн Хармон), «Чокнутый профессор (1996, Imagine Entertainment. Режиссер — Том Шэдьяк. Сценарий: Джерри Льюис, Билл Ричмонд, Дэвид Шеффилд, Бэрри В. Блауштейн, Том Шэдьяк, Стив Одекерк. Композитор — Дэвид Ньюман), «Звери» (2016−2018, HBO Entertainment. Авторы идеи: Филипп Матарезе, Майк Лучано), «Опасный мышонок» (1981−1992, Cosgrove Hall Films. Авторы идеи: Брайан Косгроув, Марк Холл).
При поддержке
