Tchnięcie życia w miniaturowe modele płuc
Kultury żywych komórek są niezbędnym elementem przy testowaniu leków i urządzeń diagnostycznych. Jednak warstwa komórek na szalce Petriego często nie jest w stanie odtworzyć warunków panujących w żywych organizmach. Celem zespołu projektu MECH-LoC było rozwiązanie tego problemu poprzez opracowanie dokładniejszego modelu, znanego jako płuco na chipie. „Chcemy stworzyć system, który będzie odwzorowywał warunki fizjologiczne lepiej niż szalka Petriego”, mówi koordynatorka projektu Lisa Muiznieks. „Szalka Petriego jest statyczna, brak na niej ruchu. W tkankach i komórkach na każdym poziomie występują siły dynamiczne, wynikające z oddychania, chodzenia czy skakania. W małej skali płuca rozszerzają się i kurczą, pęcherzyki płucne rozciągają i ścieśniają się z każdym oddechem”.
Odwzorowywanie macierzy pozakomórkowej
Przepływ powietrza przez płuca oraz ciśnienie i naprężenia ścinające krwi i płynu pozakomórkowego również wywierają siły mechaniczne na komórki, wyjaśnia Muiznieks. Odtworzenie tych przepływów na mikrofluidycznym chipie pozwoli badaczom na podawanie składników odżywczych i usuwanie odpadów komórkowych w bardziej efektywny sposób. „Celem tego płuca na chipie nie jest zastąpienie całego narządu, ale naśladowanie małego podzbioru specyficznych funkcji, w tym przypadku pogranicza fazy gazowej i ciekłej na powierzchni pęcherzyków płucnych”, zauważa Muiznieks. Aby stworzyć realistyczną powierzchnię, komórki zostały przytwierdzone do cienkiej macierzy białkowej. „Wszystkie komórki znajdują się na macierzy pozakomórkowej, sieci białek włóknistych, takich jak kolagen, fibronektyna i elastyna”, dodaje Muiznieks. „Możemy odwzorować to środowisko dla komórek, tworząc membranę z tych samych białek”. Tworzenie takich membran było głównym celem kariery naukowej Muiznieks. Muiznieks, która otrzymała wsparcie w ramach działań „Maria Skłodowska-Curie”, przeniosła się do Francji, aby wspólnie z gospodarzem projektu, Elvesys, firmą zajmującą się technologiami mikrofluidycznymi, pracować nad budową modeli płuc na chipie. Po zakończeniu stypendium w październiku 2020 roku została ona zatrudniona w firmie Elvesys na pełny etat. „Dysponujemy prototypami, ale ich poziom gotowości technologicznej nie jest wystarczający. Zanim to osiągniemy, musimy przeprowadzić więcej badań”, wyjaśnia Muiznieks. „Zaprojektowaliśmy obudowę, stworzyliśmy membranę, wbudowaliśmy ją w chip mikrofluidyczny, przetestowaliśmy pod kątem walidacji, dodając komórki i przytwierdzając je, a ponadto udało nam się doprowadzić do perfuzji przez kanał”.
Mniej testów na zwierzętach
Następnym krokiem, jak mówi, jest wzbogacenie modelu o kolejne właściwości i bodźce mechaniczne, odtwarzając dynamiczny przepływ i zdolność rozciągania obserwowane w żywych organizmach, oraz testowanie leków przy użyciu tego układu. Ostatecznym celem jest stworzenie dokładnie odwzorowanych fizjologicznie układów modelowych, które mogą ograniczyć potrzebę przeprowadzania badań na zwierzętach. „Istnieje wiele kwestii etycznych związanych z wykorzystywaniem zwierząt, poza tym kosztuje to ogromne pieniądze. Choć w modelu zwierzęcym testy leków mogą wyglądać obiecująco, to w badaniach klinicznych na ludziach w 90 procentach przypadków nie przynoszą zamierzonych rezultatów”, zauważa Muiznieks. „Potrzebujemy lepszego modelu funkcjonowania specyficznych tkanek, aby wesprzeć rozwój medycyny”. Jak mówi badaczka, jeśli modele narządów na chipie okażą się skuteczne, do rusztowania będzie można dodawać własne komórki pacjenta, co otworzy drogę do wysoce specyficznych testów medycyny spersonalizowanej. Muiznieks pragnie być orędownikiem mikrofluidyki, aby przyciągnąć do tej dziedziny nowych badaczy i sprawić, by uwzględnili ją w swoich badaniach. „Narządy na chipie to stosunkowo nowa, obiecująca dziedzina, ale zanim zostanie przyjęta przez duże firmy farmaceutyczne, należy przeprowadzić solidne badania potwierdzające słuszność koncepcji. Mam nadzieję, że uda nam się tego dokonać. Jesteśmy silniejsi, pracując razem, niż w pojedynkę”.
Słowa kluczowe
MECH-LoC, płuco, chip, diagnostyka, lek, kultura, komórki, narząd, pęcherzyki płucne
