При изучении болезней или тестировании потенциальных лекарственных препаратов исследователи обычно обращаются к культивированным клеткам на чашках Петри или экспериментам с лабораторными животными, но в последнее время исследователи разработали другой подход: небольшие устройства «орган на чипе», которые имитируют функции человеческие органы, служащие потенциально более дешевыми и более эффективными инструментами.
Теперь исследователи создали новое устройство, которое особенно хорошо подходит для моделирования атеросклероза – сужения кровеносных сосудов, которое является основной причиной сердечных приступов и инсультов. В статье, опубликованной на этой неделе в APL Bioengineering от AIP Publishing, исследователи демонстрируют, как новое устройство можно использовать для изучения важных воспалительных реакций в клетках, выстилающих сосуды способами, которые невозможно было сделать на животных моделях. Исследовательская группа также объясняет, как этот орган на чипе может улучшить анализ крови для пациентов.
"Атеросклероз – очень важное и сложное заболевание," сказал Хан Вэй Хоу, биомедицинский инженер из Технологического университета Наньян в Сингапуре. Он развивается, когда жир, холестерин и другие вещества в крови образуют налет, который накапливается на внутренних стенках артерий. Это скопление сужает кровеносный сосуд, вызывая сердечно-сосудистые заболевания.
Понимание того, что регулирует это аномальное сужение сосудов, имеет решающее значение для изучения и лечения заболеваний сосудов и предотвращения острой остановки сердца. Хотя исследователи ранее разрабатывали модели кровеносных сосудов «орган на чипе», эти устройства были больше ориентированы на воссоздание биологической сложности сосуда, чем на его форму и геометрию, которые являются ключевыми факторами при атеросклерозе, сказал Хоу. "Это касается не только биологического аспекта эндотелиальной дисфункции, но и биомеханики кровотока."
Чтобы решить проблему кровотока, исследователи создали устройство, которое помещается на одном чипе квадратного дюйма, состоящем из двух установленных друг на друга камер, разделенных тонкой и гибкой полимерной мембраной. Нижняя часть содержит воздух, а верхняя – текущую жидкость, аналогичную по механическим свойствам крови. Внутри заполненной жидкостью камеры наверху мембраны исследователи выращивают эндотелиальные клетки – клетки, выстилающие внутреннюю часть кровеносных сосудов. Исследователи закачивают воздух в нижнюю камеру, поэтому мембрана растягивается, как воздушный шар, и образует пузырь, который блокирует поток жидкости. Этот процесс имитирует сужение сосуда.
Заполненная жидкостью камера сжимается, в результате чего жидкость течет быстрее в одних регионах и медленнее в других. Когда исследователи выращивали клетки в условиях непрерывного, но медленного потока жидкости, эндотелиальные клетки смогли расти и экспрессировать белок под названием ICAM-1; этот белок связан с воспалением и важен в развитии атеросклероза.
Исследователи обнаружили, что при замене среды для культивирования клеток человеческой кровью большее количество иммунных клеток, называемых моноцитами, связывается с эндотелиальными клетками в областях с низким уровнем кровотока. Моноциты в основном отвечают за накопление липидов, которые в конечном итоге превращаются в бляшки, вызывающие атеросклероз.
Эти результаты на чипе согласуются с широко распространенной картиной заболевания: нарушение кровотока в суженных сосудах способствует воспалению сосудов, что способствует привлечению моноцитов для создания бляшек. "Новая модель может более точно моделировать атеросклероз, потому что [] исследователь может точно настроить сужение, контролируя давление воздуха," Хоу сказал. Это устройство потенциально может помочь исследователям лучше понять атеросклероз и разработать новые методы лечения.
"[Устройство] многообещающее с точки зрения диагностики," Хоу сказал. В качестве эксперимента, подтверждающего правильность концепции, исследователи закачивали в свое устройство кровь, содержащую TNF-альфа, белок, который является признаком воспаления. Воспаленная кровь вызвала связывание большего количества иммунных клеток с эндотелиальными клетками, чем обычно. Измерение количества связанных иммунных клеток может выявить уровень воспаления в крови, индикатор раннего атеросклероза. В отличие от других тестов, которые просто подсчитывают количество иммунных клеток, циркулирующих в крови, этот метод может более точно оценить ранние иммунные ответы у пациентов.