Создан первый дышащий лёгочный чип из генетически идентичных клеток человека

Учёные из Института Фрэнсиса Крика совместно с биотехнологической компанией AlveoliX разработали первую в мире модель «лёгкого-на-чипе», полностью созданную из генетически идентичных клеток, полученных от одного человека. Новая технология способна имитировать дыхательные движения и ранние стадии заболеваний лёгких, открывая путь к персонализированной медицине и более точному тестированию лекарств, в том числе против туберкулёза. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Альвеолы — крошечные воздушные мешочки в лёгких — являются ключевым местом газообмена и одновременно служат защитным барьером от вирусов и бактерий, вызывающих респираторные заболевания, такие как грипп и туберкулёз. Именно здесь происходит первая «встреча» организма с патогенами, однако изучать эти процессы напрямую у человека крайне сложно.

В последние годы учёные активно развивают технологии «орган-на-чипе» — миниатюрные устройства, в которых человеческие клетки выращиваются в микроканалах на пластиковых чипах. Такие системы позволяют моделировать работу органов в лабораторных условиях. Однако до сих пор лёгочные чипы создавались из смеси клеток пациента и стандартных коммерческих клеточных линий, что не позволяло точно воспроизвести индивидуальные особенности конкретного человека.

В новом исследовании команда Института Крика пошла дальше, создав лёгочный чип, состоящий исключительно из генетически идентичных клеток. Для этого учёные использовали индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека, способные превращаться практически в любые типы клеток организма. Из них были получены альвеолярные эпителиальные клетки I и II типа, а также эндотелиальные клетки сосудов.

Эти клетки выращивались по разные стороны сверхтонкой мембраны внутри устройства, разработанного компанией AlveoliX, что позволило воссоздать структуру альвеолярного барьера. Для максимального приближения к реальным условиям исследователи применили специальные установки, которые ритмично растягивают мембрану в трёх измерениях, имитируя процесс дыхания. Такое механическое воздействие стимулировало образование микроворсинок — важного элемента альвеол, увеличивающего поверхность для газообмена.

На следующем этапе в чип были добавлены макрофаги — иммунные клетки, также полученные из стволовых клеток того же донора. После этого исследователи инфицировали модель бактериями туберкулёза, чтобы смоделировать ранние стадии заболевания. Уже через несколько дней в чипе наблюдалось образование крупных скоплений макрофагов с некротическими центрами — характерный признак туберкулёзного поражения. Через пять дней после заражения барьер между эпителиальными и эндотелиальными клетками разрушался, что свидетельствовало о нарушении функции альвеол.

По словам руководителя исследования Макса Гутьерреса, развитие не-животных моделей становится всё более важным, поскольку животные не всегда точно отражают особенности анатомии лёгких, иммунного ответа и течения заболеваний у человека. Использование полностью генетически идентичных клеток открывает возможность создавать чипы на основе клеток людей с конкретными генетическими мутациями, что позволит прогнозировать индивидуальное течение инфекций и подбирать наиболее эффективные методы лечения.

Первый автор работы, Джаксон Лук, отмечает, что туберкулёз развивается медленно, и между заражением и появлением симптомов могут проходить месяцы. Новая модель позволяет впервые детально изучать «невидимые» ранние этапы болезни. В будущем технология может быть адаптирована для исследования других респираторных инфекций, а также рака лёгких и хронических заболеваний дыхательной системы.