Использование «органов на чипе» для моделирования сложных заболеваний

Биологические инженеры MIT создали мульти-тканевую модель, которая позволяет им изучать взаимоотношения между различными органами и иммунной системой на специализированной микрофлюидной платформе, засеянной клетками человека.

Используя модель такого типа, которую иногда называют «органы на чипе», исследовательская группа смогла изучить роль циркулирующих иммунных клеток при язвенном колите и других воспалительных заболеваниях. Они также обнаружили, что метаболический побочный продукт, генерируемый бактериями, живущими в кишечнике человека, играет важную роль в этих воспалительных состояниях.

«Мы показали, что теперь вы можете начать атаковать некоторые из этих действительно острых, хронических воспалительных заболеваний, проводя эксперименты в этих органах на чипах», – говорит Линда Гриффит, профессор инженерного факультета педагогических инноваций, профессор биологической инженерии и машиностроение, и старший автор исследования.

Исследователи утверждают, что этот подход, описанный 18-го марта в журнале Cell Systems, также может быть полезен для изучения многих других сложных заболеваний.

Сложные модели

Около 20 лет назад лаборатория Гриффита впервые начала работать над моделью человеческой печени, известной как «печеночный чип». Эта система, которая состоит из искусственной ткани печени человека, может использоваться для проверки токсичности лекарственного средства. Совсем недавно она работала над мелкими копиями многих взаимосвязанных органов, также известными как микрофизологические системы. В 2018 году лаборатория сообщила о разработке платформы, которая могла бы использоваться для моделирования взаимодействия до 10 органов одновременно.

Эти виды устройств хорошо подходят для анализа сложных заболеваний, в том числе тех, которые затрагивают несколько органов, подвержены влиянию иммунной системы или не могут быть объяснены одним геном или небольшим количеством генов.

«Мы хотели создать технологии, которые позволили бы вам соединить несколько систем органов вместе, чтобы мы могли начать разработку новых инструментов для борьбы с хроническими воспалительными заболеваниями», – говорит Гриффит.

В новом исследовании они решили смоделировать взаимодействие между двумя органами, толстой кишкой и печенью. Они также хотели изучить, как иммунная система, особенно Т-клетки, влияет на эти органы. Уже известно, что до 80 процентов пациентов с хроническим аутоиммунным заболеванием печени, называемым первичным склерозирующим холангитом, также страдают от воспалительного заболевания кишечника (ВЗК). И у пациентов с ВЗК гораздо больше шансов на развитие аутоиммунных заболеваний печени.

Новая система содержит клетки толстой кишки, взятые у пациентов с язвенным колитом, а также здоровые клетки печени. Исследователи обнаружили, что когда эти ткани были соединены, их физиологическое поведение полностью изменилось по сравнению с тем, когда они были изолированы друг от друга. Воспаление ткани кишечника при язвенном колите уменьшилось, когда ткань подвергалась воздействию здоровых клеток печени. В то же время гены и клеточные пути, участвующие в метаболизме и иммунной функции, стали более активными в обоих органах.

Затем исследователи добавили два типа Т-клеток в систему: CD4 + T-регуляторные клетки, которые подавляют другие иммунные клетки, и клетки TH17, которые стимулируют воспаление. Добавление этих Т-клеток к взаимодействию между кишечником и печенью быстро усилило воспаление и воссоздало некоторые особенности как ВЗК, так и аутоиммунных заболеваний печени.

«Вам действительно нужны очень сложные модели», – говорит Гриффит. «Вы, конечно, можете проверять гипотезы на животных моделях, но чтобы действительно продвинуться в разработке лекарств, вам нужны более эффективные способы определения целей, основанных на образцах от пациентов-людей».

doi: 10.1016 / j.cels.2020.02.008