Искусственный человек начипе изменит фармацевтику

      Комментарии к записи Искусственный человек начипе изменит фармацевтику отключены

Искусственный человек начипе изменит фармацевтику

Вы когда-нибудь вспоминали о технологии производства фармацевтических препаратов? От разработки до внедрения лекарства проходят продолжительный путь — от химической формулы до успешного маркетингового проекта. Но самый сложный и этически спорный момент — это тестирование на дальнейшие испытания и животных на людях.

Для тестов в большинстве случаев применяют мышей, потому что их геном очень близок к людской, но все же кое-какие своеобразные реакции проследить не удается.

Существует более 200 факторов совместимости групп крови, приблизительно столько же веществ-мишеней для лекарств, несущих ответственность за иммунитет, и множество вторых неповторимых изюминок. Что же произойдёт, в случае если производитель не сможет учесть хотя бы один фактор, не говоря уже об личных чертах организма?

Подобные невольные неточности приводят к множеству потерянных судеб (за десять лет погибло 1000 испытателей) и к огромным денежным затратам фармацевтических компаний на вывод препарата из производства, и восстановление репутации и судебные иски. Очевидно, все эти затраты ложатся на плечи потребителей.

В качестве альтернативы опробованиям на животных сейчас стала активно использоваться разработка тестирования на отдельных клеточных культурах. Но, не смотря на то, что эта методика снимает этическую проблему, она не дает системного подхода к изучениям. Так как препарат, призванный, к примеру, лечить печень, может пагубно сказываться на почках и желудке либо кроме того вызывать смертельно страшную реакцию иммунной совокупности.

Выход из патовой ситуации ученые ищут на стыке высоких технологий и биологии.

    Дизайн подложки ПДМС последнего поколения 1. В зависимости от задач ячейки смогут содержать клетки почки, сердца, мозга, кожи, легких, либо в них смогут быть установлены оптические либо электрохимические сенсоры. 2. Клетки кишечника. 3. Клетки печени. 4. Расширительная камера. 5. Канал для обогащения углекислым газом.

6. Клапаны микронасоса и клапаны резервуаров смены среды. Сэндвич с разработками С позиций конструкции чип Homunculus выглядит несложным, но эта простота кажущаяся. Практически любой его компонент изготавливается посредством самых новейших технологий, таких как литье под давлением и активация плазмой.

Дорога в Россию

«Популярная механика» побывала в лаборатории столичного научного центра «БиоКлиникум», где с 2008 года ведется неповторимый проект создания «неестественного человека» Homunculus под управлением члена РАН Александра Тоневицкого. Мысль несложна и от этого еще более очень способна: разместить на пластине площадью с кредитную карточку клетки человека и объединить их совокупностью «сосудов» в подобие живого организма.

Мысль для того чтобы биореактора зародилась недавно: в 2007 году показались первые работы германских ученых во главе с Уве Марксом, в которых высказана мысль расположить рядом клетки нескольких типов, дабы смоделировать их сотрудничество. С того времени множество лабораторий в мире начали по-своему решать эту проблему, но практически всем экспертов удалось создать только узкоспециализированные совокупности. В лаборатории Кае Сато с факультета прикладной биохимии Токийского университета (Япония) изучается сотрудничество раковых клеток опухолей с другими тканями, Дональд Имбер (Университет Вайса, США) формирует филигранную модель «легкого на чипе», талантливую к естественному газообмену и сокращениям.

Мысль создания отдельных макетов скоро перерастает в концепцию полноценной живой модели человека, и Уве Маркс с командой ученых из лаборатории TissUse обращается к собственному бывшему научному руководителю Александру Тоневицкому, начальнику НТЦ «БиоКлиникум». Так началась история русского проекта «Человек на чипе», что сейчас располагает уникальными рабочими примерами совокупности.

Разработка объединяет в себе успехи самых различных наук, в НТЦ трудятся биологи, химики, физики, инженеры и программисты. «Тут у нас имеется все нужное: стерильные ПЦР-боксы, печь с плазмой низкого давления, мастерская, оснащенная новейшими инструментами, а также 3D-принтером, станками и лазерным гравёром с компьютерным управлением», — не без гордости говорит отечественный экскурсовод Дмитрий Сахаров, директор проекта Homunculus. В таких условиях несколько гениальных молодых ученых формирует будущее медицины — мелких «человечков» на пластике и стекле, каковые призваны выручать множество судеб.

    Золотая середина По релевантности и доступности результатов изучения посредством Homunculus представляются оптимальным компромиссом между опробованиями на людях и тестами на 3D-животных и культурах. Не смотря на то, что, очевидно, опробования на биореакторе не призваны всецело заменить другие виды тестов.

кровь и Плоть

Платформа Homunculus складывается из блока управления и клеточного чипа, что отслеживает движение опыта и поддерживает жизнь мелкого человечка. На чипе размещаются культуры клеток, прежде всего те, через каковые тестируемое вещество будет попадать в организм, и те, на каковые оно должно влиять.

«Кровь» неестественного человека — питательный раствор, снабжающий клетки всеми нужными для жизни соединениями. Через него же вводят тестируемое вещество. Раствор содержит комплект солей, поддерживающих постоянную кислотность среды, потому, что клетки выделяют в раствор собственные щелочные метаболиты.

Кроме этого в нем содержится питательный бульон, причем «рацион» четко соблюден — присутствует нужное количество белков, доступных сахаров и жиров. Состав раствора весьма близок к составу плазмы крови, а вот аналогов эритроцитов с гемоглобином в том месте нет — кислород поступает в совокупность растворенным в жидкости.

Клеточные культуры находятся в трансвелах — особых ячейках с полупроницаемой мембраной снизу, через которую клетки обмениваются веществами с питательной средой и между собой. Быть может, когда-нибудь ученые смогут разместить на платформе и привести во сотрудничество все (либо практически все) виды клеток, содержащихся в людской организме. Но, пока количество клеточных ячеек на чипе не превышает шести, разработчики стремятся сосредоточиться на органах, каковые конкретно соприкасаются с тестируемым лекарством, участвуют в его передаче и выделении.

К примеру, в случае если речь заходит о пилюлях, действующее вещество помещается в ячейку с клетками кишечника, всасывается ими и через мембрану попадает в питательную среду. Наружные средства вводятся через клетки кожи, а внутривенные — конкретно в раствор. Обязательно тестируются почки и печень, участвующие в метаболизме и выведении препарата. Вниманием не обделены мозг и сердце, в особенности чувствительные к токсичным препаратам.

Список дешёвых клеток возможно расширять неизменно — основное, что в рамках теста клеточные культуры функционируют и взаимодействуют максимально правдоподобным образом.

Тест продолжается около 28 дней, по окончании чего эксперты приступают к обработке результатов. Самый явный показатель — количество живых клеток к концу опыта, но самые точные результаты дают микробиологические и генетические изучения РНК и ДНК. Это разрешает выяснить отсроченную токсичность препарата в том случае, в то время, когда он не убивает клетку мгновенно, но вызывает мутации в геноме и нарушения метаболизма.

Последствия для того чтобы отравления смогут быть заметны лишь спустя пара лет, и стандартные способы лабораторных опробований не дают их зафиксировать.

К моменту начала работы особо важным для исследователей был вопрос, какие конкретно клетки применять для культивирования? Эмбриональные? Клетки живых людей? Либо что-то иное?

Ответ был отыскан неожиданный — ученые применяют раковые линии клеток, полученные из мировых клеточных банков. При чем тут онкология? Раковые клетки продолжительнее живут, лучше растут, а самое основное, они стандартны, обширно дешёвы и подробно обрисованы в бессчётных публикациях, наряду с этим их функции совершенно верно такие же, как у здоровых.

Как люди делают людей

Сердце биореактора — чип с ячейками для клеток — является сэндвичем из поликарбоната, полидиметилсилоксана (ПДМС) и стекла, соединенных очень неочевидными высокотехнологичными методами.

    1. Силиконовый слой помогает кровеносной совокупностью чипа и содержит рисунок из небольших каналов глубиной всего 100 мкм. Дабы изготовить его, в железную форму с выпуклым рисунком (те самые 100 мкм) закладывают пластину из поликарбоната.

Форма закрывается, в нее вставляются воронки с ПДС, и вся конструкция отправляется в подогреваемую центрифугу, также созданную в центре. В том месте силикон разогревается до 70 градусов, делается жидким и легко занимает собственный место между пластинкой и формой. 2. Оказавшийся «полуфабрикат» необходимо закрыть предметным стеклом, но сделать это непросто. Стекло должно не только хорошо закрывать сосуды, но и не оказывать влияния на результаты тестов. Следовательно, клей применять запрещено.

Решили эту задачу методом обработки обеих половинок в плазменной печи. Плазма активирует поверхности стекла и силикона, делает их гидрофильными, и повышает их свойство слипаться. По окончании обработки силикон и стекло соединяют, и сэндвич уже не поделить.

3. В «чистой комнате», куда, в большинстве случаев, не пускают посторонних, покоятся разные культуры клеток в жидком азоте. Чтобы из клеточного мороженого они превратились в материал для изучения, их в течение нескольких суток раздельно культивируют.

Так как различным типам клеток требуется различное время для разделения, другими словами разделения по форме, функциям и строению, выращивать их начинают с промежутком до нескольких суток, дабы к началу опыта все были на одной стадии развития. 4. Когда модели органов готовы, их помещают в трансвелы. Чипы распаковывают из стерильных пакетов и заправляют клетками. в течении всей сборки чип находится в стерильных условиях, дабы ни одна посторонняя клетка не попала вовнутрь.

Целый процесс сборки осуществляется в одной лаборатории одним экспертом, что делает разработку еще эргономичнее в применении.

Эволюция киборга

Не обращая внимания на кажущуюся самостоятельность и завершённость, миниатюрный человечек не имеет возможности сам дышать либо гонять по своим «венам» питательную жидкость. Для этого нужен блок управления — электронный мозг, сердце и легкие «гомункула». Прибор содержит микронасосы, снабжающие циркуляцию питательной среды, и вакуумное управление клапанами, установленными в силиконовой прослойке чипа.

Помимо этого, он подает в совокупность кислород и углекислый газ, и поддерживает постоянную температуру чипа.

Все параметры смогут регулироваться в соответствии с задачами опыта. Прибор имеет встроенный сенсорный дисплей и подключается к компьютеру по USB либо LAN, а интерфейс ПО сделан так, дабы исследователи и врачи из вторых лабораторий имели возможность легко и скоро овладеть всеми функциями. В общем, это не прибор, созданный для конкретной задачи, а многофункциональная платформа, готовая к выпуску на рынок.

Блок управления, как и чип, — детище центра. «Все применяемые компоненты в далеком прошлом известны инженерам во всем мире, но их калибровка и правильное совмещение делают разработку неповторимой и инновационной», — говорит Дмитрий Сахаров. Сначала все подробности прибора изготавливали вручную, включая печать плат и сборку корпусов, но, в то время, когда начались продажи, главные компоненты стали заказывать сборочному предприятию в Петербурге, откуда прибор приходит в виде конструктора.

    По окончании сборки чипа его каналы сразу же заполняются жидкостью: узкие капилляры должны всегда смачиваться, в другом случае потом они не смогут заполниться питательной средой. В лаборатории имеется все нужное как для прототипирования, так и для полноценной сборки всех механических и электронных компонентов совокупности.

««Человек на чипе» — это только первый ход к цели, но технологии быстро развиваются, и уже в скором будущем будет создана более идеальная модель», — делится своим видением академик Тоневицкий. В ближайших замыслах лаборатории создание чипа, на котором возможно разместить десять и более культур клеток в один момент, а не шесть, как на данный момент. Так же принципиально важно сделать клеточные модели самый родными к настоящим структурам в организме человека.

Так как не нужно забывать, что на данный момент мы имеем дело всего лишь с несколькими тысячами клеток в ячейке, а настоящие органы имеют сложное, дифференцированное строение с тканями, непредсказуемо взаимодействующими между собой. Самый сложна для опыта эндокринная совокупность, в которой много различных гормонов нацелены на много разных мишеней по всему организму.

Ученые «БиоКлиникума» идут по пути совмещения живого с неживым: новая версия чипа, пока находящаяся в разработке, имеет полупроницаемые каналы, по которым циркулирует воздушное пространство, — аналог людских легких. Кишечник нового мелкого человечка будет иметь изгибы, похожие на изгибы настоящего прототипа, и клетки будут находятся в нужном порядке.

В лаборатории уверены в том, что проект будет совершенствоваться до тех пор, пока не удастся смоделировать все совокупности органов во всем их многообразии.

    Блок управления Внешний блок управления — это сердце, легкие и вегетативная нервная совокупность «гомункула». Он подает в чип углекислый газ и кислород, смотрит за его температурой и информирует исследователям о любых трансформациях в параметрах чипа, где бы они ни находились сейчас.

Компактный прибор занимает места не больше, чем системный блок настольного компьютера, и имеет дружелюбный интерфейс, с которым смогут трудиться не только сотрудники «светло синий», но и каждые другие эксперты.

Этика будущего

Не обращая внимания на то что «человек на чипе» выводит животных и человека из-под удара опробований лекарств, многие, быть может, задаются вопросом — а не смогут ли испытуемые клетки сами испытывать боль, в особенности в то время, когда речь идет об опытах над нервной совокупностью? К счастью, опасения напрасны, клетки культивируются раздельно и не имеют иннервации. Это только комочки живой ткани, объединенные в совокупность, а не полноценный организм, исходя из этого сказать о создании неестественной судьбе не приходится.

В это же время микробиореактор может не только сократить количество тестов на животных, но и существенно ускорить прогресс как в фармацевтике, так и в медицине. На определенном этапе развития новая разработка разрешит совершенно верно подбирать гормональную терапию и снять риски при подборе лекарств.

«Гомункулус» — всецело российский проект, что приобретает гранты от Министерства образования и Минздрава; уже выданы разрешения на опробования новых лекарств, имеется и интернациональные контакты. на данный момент «БиоКлиникум» испытывает собственные совокупности в Российской Федерации и Германии, поскольку принципиально важно доказать правильность работы установки клиентам в мире, а не только на отечественном рынке. В то время, когда прибор пройдет все опробования и возьмёт полную сертификацию, его внедрение не вынудит себя ожидать, и, быть может, совсем не так долго осталось ждать мы возьмём множество спасительных препаратов, созданных благодаря немногословному «подвигу» множества «человечков» на чипах.

Статья «Гомункул: человек на стекле» размещена в издании «Популярная механика» (№147, январь 2015).

Fallout 3 Искусственный Человек # 14


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: