Что такое микробиореактор Гомункулус?

Микробиореактор Гомункулус – это инновационная разработка российских ученых, представляющая собой миниатюрную систему, в которой культивируют клетки различных органов человека. Клетки различных органов, находясь в рамках единой системы, имитируют естественную среду и взаимоотношения внутри реального человеческого организма. Таким образом, микробиореактор Гомункулус – это модель организма человека в миниатюре. Такие модели являются идеальными для испытания новых лекарств и различных косметических препаратов в условиях, максимально приближенных к таковым в человеческом организме.

Гонка по созданию подобных систем, которые бы содержали различные органы человека в миниатюре в связи друг с другом, стартовали в 2012 году, когда США объявили о масштабном проекте, целью которого и являлось создание таких систем. Такие же программы были запущены и в ЕС, и в России, в научно-техническом центре «Биоклиникум». В России микробиореактор был создан усилиями команды академика РАН Александра Григорьевича Тоневицкого и профессора Технического университета Берлина Уве Маркса.

Микробиореактор Гомункулус представляет собой качественно новую ступень развития молекулярных и клеточных технологий, на которой происходит связь отдельных разрозненных звеньев в единое целое. Так, к настоящему времени накоплен большой опыт и разработаны стандартные методики, позволяющие поддерживать жизнь, рост и размножение клеток различных органов в условиях искусственной среды, а попросту – в пробирке. Более того, при помощи добавления различных веществ в питательную среду, на которой растут и живут клетки различных органов, можно изменить вектор их развития, то есть из клетки-предшественника вырастить клетки сердечной мышцы, клетки печени, клетки кожи и т.д.

А вот микробиореактор Гомункулус позволяет на одной небольшой площади объединить одновременно несколько разных видов клеток, например, печени, кишечника, сердца. Все эти разные клетки растут на своих участках, но объединены в единое целое при помощи питательной среды, омывающей все культуры клеток, а также поддержания совершенно одинаковых условий, имитирующих таковые в организме человека. То есть, по сути, микробиореактор Гомункулус объединяет разные органы на одной территории, которые связаны между собой общими условиями существования и питательной средой – все точно так же, как и в организме человека. Ведь у всех органов общие условия существования – температура, обмен веществ и т.д. И имеется связующее все органы звено – кровь, которую в микробиореакторе имитирует жидкость питательной среды.

Структура микробиореактора Гомункулус

Рассмотрим подробнее, что представляет собой микробиореактор Гомункулус. Реактор состоит из двух частей:
1. Чип, на котором находятся ячейки для шести видов клеток человека (клетки кишечника, печени, легких, сердца, мозга и кожи).
2. Блок управления, при помощи которого задаются и поддерживаются все параметры среды, окружающей клетки, а также питательной среды, омывающей их.

Таким образом, в небольшом замкнутом пространстве сымитированы условия человеческого организма.

Скорость движения питательной среды между ячейками с разными видами клеток соответствует скорости кровотока в капиллярах в организме человека. Специальное устройство (клапаны насосов, нагнетающих питательную жидкость) создает пульсацию, в результате которой все клетки периодически испытывают сжатие и растяжение, что имитирует воздействие сердечных сокращений. В точном соответствии с тем, как это происходит в организме, обновляется питательная среда. Кроме того, она поступает к разным клеткам в определенной последовательности – в той же, что и в организме человека. Например, к ячейке с клетками печени подходит свежая струя питательной жидкости, что имитирует печеночную артерию, а также имеется соединение с ячейкой клеток кишечника, что имитирует воротную вену печени, и т.д.

Также в чипе установлены датчики, контролирующие параметры среды, в которой живут клетки. Такие датчики необходимы, чтобы своевременно удалять избыток каких-либо веществ и автоматически добавлять те вещества, в которых имеется недостаток. Система термостата позволяет поддерживать постоянную температуру внутри чипа в 37^oС, как внутри организма человека.

Назначение микробиореактора Гомункулус

Такое сложное устройство, как микробиореактор Гомункулус, безусловно зачем-то необходимо. Рассмотрим сферы применения данного устройства.

Микробиореактор, главным, образом, можно использовать для тестирования действия различных лекарств на органы и ткани человека на модели, максимально приближенной к реальному человеческому организму. Иными словами, испытания лекарств на микробиореакторе Гомункулус могут заменить клинические испытания на животных и людях. Причем испытания на микробиореакторе позволяют сымитировать различные пути введения лекарств в организм – в таблетках через рот, внутривенно, чрезкожно и т.д.

Например, если испытываемые вещества вводить в питательную среду, омывающую чипы с клетками, то это имитирует внутривенное введение лекарств. Если же исследуемые вещества помещать непосредственно в ячейку с клетками определенного вида, то это имитирует их введение через кожу или через рот.

Учитывая наличие в микробиореакторе сразу нескольких «органов», можно изучать воздействие веществ на все эти органы, а также скорость их превращения и выведения, длительность циркуляции в «крови» и т.д.

На сегодняшний день микробиореакторы Гомункулус установлены в лаборатории Уве Маркса в Берлине и в Новосибирском научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН, где с их применением проводятся различные испытания потенциально эффективных лекарственных веществ.

Востребованность тест-систем по типу микробиореактора Гомункулус очевидна, так как испытания на животных, с одной стороны, неэтичны, а с другой – не всегда корректны, и их результаты не могут распространяться на человека полностью. Широко известный пример такой невозможности распространения результатов экспериментов на животных на человека – это клинические испытания в 2006 году в Лондоне препарата от лейкоза и аутоиммунных заболеваний. Препарат показал прекрасные результаты при тестировании на животных, но когда его начали проверять на добровольцах, шесть совершенно здоровых людей оказались в больнице с сильнейшей аллергической реакцией, которой у животных не наблюдалось.

Кроме того, при помощи микробиореактора Гомункулус можно подойти к решению проблемы персонифицированной медицины. Например, если у человека имеется заболевание какого-либо органа, то можно взять клетки этого органа, поместить в микробиореактор и протестировать, какое из имеющихся лекарств окажется наиболее эффективным.