Uczeni pobrali komórki skóry od pacjentów, w laboratorium przekształcili je w komórki mięśnia sercowego i stworzyli z niego bijące serce. To brzmi trochę jak scenariusz filmu science fiction, ale jest jak najbardziej prawdziwe. W ten właśnie sposób naukowcy z USA i Europy wspólnie stworzyli model serca osoby, która cierpi na nieuleczalną chorobę zwaną zespołem Bartha. Ów sztuczny narząd ma postać przezroczystych plastikowych płytek, między którymi znajdują się kurczące się komórki mięśniowe. Wygląda niepozornie, ale uczeni twierdzą, że dzięki niemu już dowiedzieli się o zespole Bartha więcej, niż byłoby to możliwe innymi metodami.

Takie miniaturowe złożone modele doczekały się własnej nazwy: mówi się o nich „narządy na chipie”. Słowo „narządy” jest używane trochę na wyrost, bo naukowcy na razie próbują odtwarzać mniej skomplikowane struktury, takie jak fragmenty tkanek. Jednak nawet tak proste bioukłady zaczynają rewolucjonizować badania biomedyczne.

Nasze drogie szczury

Zanim nowe substancje lecznicze trafią do badań klinicznych z udziałem ludzi, są testowane na prostych hodowlach komórkowych i zwierzętach. Tych ostatnich giną ogromne ilości. W samym tylko 2011 r. na terenie Unii Europejskiej wykorzystano do badań blisko 11,5 mln zwierząt, głównie myszy i szczurów.

Czytaj więcej: Antykoncepcyjny chip dostępny od 2018 roku

Testy jednego leku trwają kilka lat i kosztują miliony dolarów. W podobny sposób trzeba też badać pestycydy, dodatki do żywności czy kosmetyki. Masowe wykorzystywanie zwierząt w tym celu budzi wątpliwości etyczne. Unia Europejska, Norwegia, Izrael i Indie zakazały już testowania kosmetyków na zwierzętach, inne kraje też się do tego przymierzają.

Być może jednak najważniejszym argumentem będzie niska skuteczność takich testów. Zwierzęta często reagują inaczej niż ludzie, a zwykłe hodowle komórkowe nie zachowują się jak prawdziwa tkanka. Komórki potrzebują odpowiedniego środowiska i bodźców, aby mogły prawidłowo pracować - a chipy to właśnie zapewniają.

Kieszonkowy człowiek

Mając do dyspozycji zestaw chipów naśladujących działanie naszych narządów, uczeni mogą je połączyć w jeden system za pomocą wspólnego krwiobiegu. Wówczas będzie można sprawdzić, jak dany lek zadziała, gdy podamy go doustnie (wówczas musi najpierw przejść przez wątrobę), a co stanie się, gdy pacjent będzie go wdychał w formie aerozolu (wtedy szybko trafi bezpośrednio do krwi).

 

Wdech-wydech

Przykład? Z każdym wdechem nasze płuca rozciągają się - dotyczy to również komórek, tworzących ściany pęcherzyków płucnych, w których zachodzi wymiana gazowa. By rzetelnie zbadać ich pracę, trzeba uwzględnić ten ruch.

Tak działa model opracowany przez zespół z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvard University. Przez cienką przezroczystą płytkę biegną przylegające do siebie kanaliki. Jeden z nich imituje barierę krew-powietrze: przedzielony jest elastyczną porowatą błoną, którą z jednej strony wyściełają komórki budujące pęcherzyki płucne (mające kontakt z powietrzem), a drugą - komórki naczyń krwionośnych (obmywane przez płyn imitujący krew). Ową błonę można rytmicznie rozciągać, tak jak w prawdziwych płucach podczas oddychania.

Uczeni przeprowadzili na płucnym chipie pierwsze doświadczenia. W jednym z nich do odżywiającego komórki płynu dodali białe krwinki, a do kanału z powietrzem - bakterie. Przezroczysty materiał płytki umożliwił dokładne obserwowanie i sfilmowanie tego, co nastąpiło, czyli reakcji układu odpornościowego bardzo podobnej do tej przy zapaleniu płuc. W kolejnym eksperymencie odtworzyli obrzęk tego narządu, występujący np. w przebiegu terapii przeciwnowotworowej. Bariera krew- -powietrze staje się wówczas nieszczelna i płyn przenika do wnętrza pęcherzyków płucnych. Symulacja z wykorzystaniem chi- pa pokazała, że proces ten przebiega znacznie szybciej, gdy komórki rozciągają się i kurczą.

Wyrzeźbiony nowotwór

Podobne badania prowadzone są także w Polsce - na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Zespół kierowany przez dr. Romana Szafrana najpierw fotografuje pod mikroskopem tkankę pobraną np. z guza nowotworowego. Korzystając z tych zdjęć uczeni tworzą dokładny komputerowy plan naczyń krwionośnych. Laser wypala go w warstwie polimeru grubości ułamków milimetra, który nanoszony jest na kilkucentymetrowe cienkie przezroczyste płytki.

„Potrafimy dokładnie odtworzyć struktury ze zdjęć: wszystkie meandry, rozwidlenia czy przewężenia” - opowiada „Focusowi” naukowiec z Wrocławia. Laser może nawet wyrzeźbić wewnętrzną powierzchnię naczyń tak, aby przypominała naturalną. Później pokrywa się je biozgodnym hydrożelem.

Taki chip umożliwia badanie przepływu krwi przez tkankę, a to z kolei pozwala np. na sprawdzenie, jak w takiej sieci naczyń zachowują się eksperymentalne kapsułki z lekami przeciwnowotworowymi.

 

„Mają zatrzymywać się w takiej strukturze, uwalniać leki i tamować dopływ krwi do chorych komórek” - wyjaśnia dr Szafran. W ubiegłym roku wynalazek zdobył brązowy medal na International Invention Show and Technomart w Tajpej oraz specjalne wyróżnienie przyznane przez World Invention Intellectual Property Associations.

Wrocławscy uczeni już udoskonalają swój pomysł - nawiązali współpracę z badaczami z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu i zamierzają pokrywać kanaliki komórkami śródbłonka, które wyściełają od środka prawdziwe naczynia krwionośne. „W naszej strukturze kanałów i mikrokomór możemy też umieścić i namnażać w ściśle kontrolowanych warunkach inne komórki, np. te pobrane od chorego pacjenta. Uzyskamy w ten sposób spersonalizowany, wewnętrznie zróżnicowany model zmiany nowotworowej, umożliwiający dobór optymalnej metody leczenia dla konkretnego przypadku” - opowiada naukowiec.

Kieszonkowy człowiek

W laboratoriach niemal co miesiąc powstają kolejne biochipy. Wyss Institute dysponuje już symulatorem jelita, odtwarzającym jego jak mózg, skóra, wątroba i szpik kostny - połączonych w całość wspólnym sztucznym krwiobiegiem.

Taki symulator pozwoli na prowadzenie bardziej kompleksowych badań. Załóżmy, że testujemy nowy lek po dawany w formie aerozolu wdychanego przez pacjenta. Syntetyczny „człowiek” pomoże sprawdzić, jak substancja wchłania się w płucach, czy wpływa na akcję serca, jak jest metabolizowana w wątrobie i po jakim czasie nerki usuwają ją z organizmu. Co więcej, symulator będzie miał budowę modułową, umożliwiającą szybkie wymienienie danego „narządu” na inny.

Człowieka na chipie próbuje skonstruować kilka zespołów z różnych krajów, w tym naukowcy zaangażowani w program „The Body on a Chip”, sponsorowany przez Komisję Europejską. Same biochipy budzą też zainteresowanie dużych firm, m.in. koncernu Sony. „Dziś jest to technologia prototypowa, a więc bardzo droga. Kiedy jednak narządy na chipie trafią do masowej produkcji, będą na tyle tanie, że zaczną konkurować z testami na zwierzętach, a być może w ogóle je wyeliminują” - mówi dr Szafran.

Sceptycy podkreślają, że bio- chipy są wciąż niedoskonałymi modelami żywej tkanki, a więc testy z udziałem ludzi nadal będą konieczne. Jest jednak szansa, że leki trafiające do fazy badań klinicznych staną się bezpieczniejsze i skuteczniejsze. Niewykluczone, że w przyszłości każdy z nas będzie miał „kopię” swojego organizmu na chipach - choćby po to, by sprawdzić, czy przepisana przez lekarza terapia nie okaże się dla nas szkodliwa.


DLA GŁODNYCH WIEDZY:

  • Poświęcone biochipom wystąpienie prof. Geraldine Hamilton z Wyss Institute na konferencji TED 
  • Wrocławskie laboratorium kierowane przez dr. Romana Szafrana - www.labchip.pwr.wroc.pl
  • Więcej o nowatorskich technologiach medycznych - „Nowe terapie. Przyszłość medycyny", praca zbiorowa (G+J Książki 2011)