Все готово к заселению: когда в России появится организм-на-чипе

Организм-на-чипе — одна из самых передовых концепций в биотехнологии, в перспективе позволяющая перейти к персонализированной медицине. Исследования в этой области активно ведут в России. Корреспондент РИА Новости поговорил с инженерами из МГТУ имени Н. Э. Баумана, работающими над созданием мозга-на-чипе.

В России прорывную технологию успешно развивают в научно-образовательном центре "Функциональные микро/наносистемы" (НОЦ ФМН) МГТУ имени Н. Э. Баумана. За пять лет появилось несколько ноу-хау, позволивших делать чипы из кремния, полимера и стекла, а также изготавливать микрофлюидные сенсоры потока жидкости.

Здесь формируют тонкопленочные покрытия для микрофлюидных устройств. НОЦ "Функциональные микро/наносистемы" МГТУ имени Н. Э. Баумана.

"Представьте себе миниатюрный нагреватель, который рассеивает очень мало (меньше 100 милливатт) тепла. Вы подаете жидкость в микроканал. Естественно, жидкость уносит тепло. Рядом с таким нагревателем прямо в микроканале с двух сторон устанавливают сенсоры температуры. Теперь мы знаем, в каком направлении движется тепло и с какой скоростью. Сейчас точность — не хуже 92 процентов, результат на мировом уровне. А учитывая, что все технологии заимствованы из микроэлектроники, устройство легко масштабируется для многоканальных лабораторий-на-чипе и организмов-на-чипе", — рассказывает директор НОЦ Илья Родионов.

Директор НОЦ ФМН Илья Родионов.

Инженеры разработали чипы со сложными схемами микроканалов и целую серию различных биосенсоров, в основном оптических, анализирующих излучение, чтобы определять даже очень малые концентрации различных биологических объектов. Следующий шаг — чип из стойких к агрессивным средам материалов для работы с бактериями и вирусами. Эффективность нового метода, не имеющего сегодня микрофлюидных аналогов в мире, превышает 80 процентов.

Российские ученые взялись и за создание мозга-на-чипе. Тут не обойтись без междисциплинарного взаимодействия, реализуемого сегодня в рамках федеральной программы "Приоритет 2030" и стратегического проекта Bauman DeepTech. Сотрудники научно-образовательного центра уже наладили контакт с факультетом “Биомедицинская техника” МГТУ, а также Научным центром неврологии.

“Биологи умеют растить клеточные культуры, а мы — делать чипы. Мы очень удачно дополняем друг друга”, — уверен Виталий Рыжков, ведущий исследователь НОЦ по направлению "Бионанотехнологии и микрофлюидика".

Вначале нужно заселить на чип клетки мозга и организовать их взаимодействие. В микроканалы чипа заселяют нейронами — клетками мозга человека и подводят к ним питательные вещества. Клетки начинают делиться, образуют органоиды. Из чипа по системе микроканалов откачивают продукты их метаболизма. Далее на этой системе испытывают лекарственные препараты

“Нужно пять-семь биореакторов, где выращивают клетки, характерные для того или иного отдела человеческого мозга. Дальше необходимо создать микрофлюидную систему с мембранной структурой, чтобы подвести питающие вещества, как это у нас происходит в голове через кровь. Мы свяжем эти биореакторы очень тонкими каналами, имитирующими капиллярную систему. Это откроет дорогу пионерским исследованиям”, — отмечает Илья Родионов.

Даже если смоделировать работу одной структуры человеческого мозга, например гематоэнцефалического барьера, уже можно изучить процессы обмена веществ в этой структуре, как она участвует в метаболизме и видоизменении.

“На станциях водоочистки для оценки качества воды используют раков, которые, как известно, предпочитают водоемы с очень чистой водой. Если они не приживаются, значит, надо принимать меры. В лаборатории-на-чипе тот же принцип, только вместо раков — живые клетки человека”, — объясняет Виталий Рыжков.

Ведущий исследователь по направлению бионанотехнологии научного центра "Функциональные микро/наносистемы" МГТУ имени Н.Э. Баумана Виталий Рыжков.

Клетки мозга можно получить с помощью биопсии или аутопсии, а также вырастить из стволовых клеток. Однако предстоит решить ряд проблем.

"Например, мы вырастили шарики размером 20 на 20 микрон из клеток мозга, так называемые органоиды. Они живут, пока омываются раствором, который подводит питательные вещества и удаляет продукты метаболизма. Но когда органоиды увеличиваются до 50 на 50 микрон, клетки глубоко внутри не получают питание и отравляют окружающие клетки токсинами", — уточняет исследователь.

В НОЦ ФМН разработали технологии изготовления жестких и эластичных микрофлюидных чипов, готовых для заселения живыми клетками. Ближайшие два-три года уйдут на моделирование либо гематоэнцефалического, либо гематоликворного барьера, который гораздо менее изучен (он отделяет спинномозговую жидкость от крови).
Сейчас сложно оценить, насколько эффективен будет поиск лекарств с помощью организма-на-чипе, потому что таких систем пока не существует. Однако через десять лет они появятся.