Во всем мире легочная недостаточность является одной из основных причин смерти. Многие состояния могут повлиять на легкие и повредить их, включая астму, хроническую обструктивную болезнь легких, грипп, пневмонию и, совсем недавно, COVID-19. Чтобы лучше понять респираторные заболевания и быстрее разработать новые лекарства, исследователи из Бригама и женской больницы разработали трехмерную модель «легкое на чипе» дистального отдела легкого и альвеолярных структур, крошечных воздушных мешочков, которые впитывают кислород во время дыхания. С помощью этого нововведения исследователи активно изучают, как вирусные частицы COVID-19 перемещаются по дыхательным путям и влияют на легочные клетки. Примечательно, что эта технология позволяет ученым исследовать, как различные методы лечения COVID-19, такие как ремдесивир, влияют на репликацию вируса. Их результаты опубликованы вТруды Национальной академии наук .
«Мы считаем, что это настоящая инновация», — сказал Й. Шрайк Чжан, доктор философии, младший биоинженер медицинского отдела Бригама. «Это первая в своем роде модель нижнего легкого человека in vitro, которую можно использовать для тестирования многих биологических механизмов и терапевтических агентов, включая противовирусные препараты для исследования COVID-19».
Понимание и разработка методов лечения COVID-19 требует клинических испытаний на людях , которые требуют много времени и ресурсов. Благодаря более совершенным лабораторным моделям, таким как «легкое на чипе», исследователи смогут гораздо быстрее оценивать лекарства и помогать выбирать препараты-кандидаты, которые с наибольшей вероятностью смогут успешно пройти клинические испытания.
Чжан и его коллеги разработали эту технологию для отражения биологических характеристик дистального отдела легкого человека. Предыдущие модели были основаны на плоских поверхностях и часто изготавливались из пластмассовых материалов, которые не учитывают кривизну альвеол и намного жестче, чем человеческая ткань. Исследователи создали эту новую модель из материалов, более характерных для альвеолярной ткани человека, и стимулировали рост клеток в этих трехмерных пространствах.
При тестировании эффективности модели исследователи обнаружили, что трехмерное альвеолярное легкое эффективно выращивает клетки в течение нескольких дней и что эти клетки адекватно заселяют поверхности дыхательных путей. Посредством секвенирования генома ученые обнаружили, что модель альвеолярного легкого больше напоминала дистальный отдел легкого человека, чем предыдущие 2D-модели. Кроме того, модель «легкое на чипе» успешно стимулировала дыхание воздуха с нормальной для человека частотой.
Помимо COVID-19, исследовательская группа Чжана намерена использовать эту технологию для изучения широкого спектра заболеваний легких, включая различные виды рака легких. Чтобы воспроизвести воздействие курения на легкие, ученые позволили дыму просачиваться в воздушные камеры модели, а затем смоделировали дыхание, продвигая дым глубже в легкие. Оттуда они измерили влияние дыма и повреждения ячеек, которые он вызвал.
«Хотя это нововведение может значительно расширить возможности изучения и лечения заболеваний легких, эта модель все еще находится на начальной стадии», — сказал Чжан. В настоящее время альвеолярное легкое-на-чипе включает только два из 42 типов клеток, существующих в легком . В будущем исследователи надеются включить в модель больше типов клеток, чтобы сделать ее более клинически репрезентативной для легких человека.
В дальнейшем Чжан также надеется изучить, как варианты COVID-19 могут распространяться по дыхательным путям и влиять на легочные клетки и методы лечения COVID-19. Он считает, что использование этой модели в тандеме с другими трехмерными органами, такими как кишечник, может позволить исследователям изучить, как пероральные препараты влияют на клетки в нижних отделах легких. Чжан также надеется, что в будущем эту технологию можно будет внедрить, чтобы срочно понять и разработать методы лечения возникающих заразных болезней.
«Что касается COVID-19, у нас были очень минимальные сроки для разработки методов лечения. В будущем, если у нас будут готовые модели, мы сможем легко использовать их для изучения и тестирования терапевтических средств в неотложных ситуациях, когда количество клинических испытаний ограничено. «, — сказал Чжан.