Серповидно-клеточная анемия – самое распространенное наследственное заболевание крови в мире, которым страдают от 70 000 до 100 000 американцев. Тем не менее, это заболевание считается сиротским, то есть от него страдают менее 200000 человек по всей стране, и поэтому он недостаточно представлен в терапевтических исследованиях.
Команда под руководством Абхишека Джайна из Департамента биомедицинской инженерии Техаса&M University работает над решением этой проблемы.
"Я пытаюсь создать эти новые типы моделей заболеваний, которые могут повлиять на здравоохранение, с долгосрочной целью сделать упор на применении этих инструментов и технологий для снижения затрат на здравоохранение," сказал Джайн, доцент кафедры. "Мы стратегически хотели выявить те системы болезней, которые попадают в категорию орфанных болезней."
Исследования Джайна проводятся в области «орган на чипе», где человеческие клетки можно выращивать на устройствах размером с USB, чтобы имитировать работу органа внутри тела. Такая система идеальна для тестирования новых лекарств, поскольку лекарства нельзя тестировать на людях, а модели на животных не показали, что они хорошо представляют, как пациент и болезнь будут взаимодействовать с лечением. Для пациентов с серповидно-клеточной анемией также будет полезен орган на чипе, потому что пациенты могут обращаться с легкими и тяжелыми случаями.
Джайн работает с Танмаем Матуром, докторантом четвертого курса, который в студенческие годы учился на инженера-химика. Его исследования были сосредоточены на методах микротехнологии и моделирования, навыки, которые, по его словам, хорошо слились с исследованием «орган на чипе», которое он сейчас проводит в лаборатории Джайна. Команда тесно сотрудничает с Техасским медицинским центром в Хьюстоне.
Работа была недавно опубликована в журнале Bioengineering & Трансляционная медицина. Их статья основана на публикации 2019 года в журнале Lab on Chip, где команда продемонстрировала, что эндотелиальные клетки (клетки, выстилающие кровеносные сосуды) могут быть использованы для моделирования физиологии болезни пациента без необходимости стимулирования модели, чтобы она работала иначе, чем здоровый сосуд.
"Традиционно эти клетки не использовались для моделирования заболеваний, поэтому наш подход очень новаторский," Матур сказал. "Мы одни из первых использовали эти клетки и использовали их в исследованиях моделирования заболеваний."
Матур и Джайн демонстрируют, что эти модели можно использовать для различения пациентов. Первый шаг: построить кровеносный сосуд, имитирующий сосуд пациента. Для этого команде потребуются два компонента – кровь пациента и эндотелиальные клетки. Сбор крови включал простой забор крови. Однако они столкнулись с проблемой эндотелиальных клеток. Им нужно будет взять биопсию клеток или использовать стволовые клетки для выращивания собственных, ни то, ни другое не было идеальным.
Затем они обнаружили, что ответ был в крови.
"Мы узнали, что в образцах крови также циркулируют некоторые эндотелиальные клетки," Джайн сказал. "Мы называем их эндотелиальными клетками, вырастающими из крови, которые мы можем очень легко использовать. Вот что нового в этой работе. Вы можете получить эти клетки, вырастить их, чтобы их было достаточно, а затем вы можете создать кровеносные сосуды."
Теперь, когда они смогли построить сосуды, следующим шагом было посмотреть, покажут ли эти модели, как болезнь оказывает различное биологическое воздействие на разных пациентов. Опять же, цель состояла в том, чтобы иметь возможность протестировать лечение на этих моделях, чтобы чем ближе они имитировали своего пациента-человека, тем лучше.
"Мы можем отличить очень тяжелого пациента с серповидно-клеточной структурой по фенотипу от очень легких пациентов," Матур сказал. "Двигаясь вперед, мы можем взять большую популяцию пациентов с серповидно-клеточной анемией и оценить их с помощью нашей технологии чипов органов, а затем распределить их по различным группам на основе симптомов."
Их результаты показывают, что эти «органы на кристалле» могут привести к индивидуализированному лечению, ориентированному на пациента, и улучшить подход клиницистов к этому и другим сердечно-сосудистым заболеваниям.
"Когда вы берете его в поле, теперь он может стать средством прогнозирования," Джайн сказал. "Теперь вам не нужно знать, легкое или тяжелое состояние пациента, вы можете проверить это. Вы можете предсказать, серьезно ли пациент настроен, и можете диктовать его терапевтические потребности."
Следующим шагом будет продолжение расширения когорты пациентов для сбора большего количества результатов. Долгосрочная цель – использовать собранную информацию о пациентах для создания базы данных, чтобы лучше прогнозировать прогрессирование заболевания.
"С помощью этого устройства вы собираете анамнез многих этих пациентов и их сердечно-сосудистое здоровье, и вы можете предсказать, у какого пациента может быть больше шансов получить инсульт, и начать лечить их на ранней стадии," Джайн сказал.
Матур сказал, что даже с учетом будущих проблем, он надеется продолжить их исследования.
"Я думаю, даже если это может занять 10-15 лет, мы, по крайней мере, продвинем некоторые из проводимых нами исследований и проведем их в клинической сфере," он сказал. "Мы – одна из немногих групп в мире, которые начали эту область индивидуального лечения. Я чувствую, что наше влияние довольно велико, и я уверен, что мы сможем распространить то же лечение на другие сердечно-сосудистые заболевания и привлечь больше внимания и более глубокое понимание биологии, на которую мы изучаем."