Кожа на микрофлюидном чипе

Российские ученые создали модель кожи человека для испытания дерматологических лекарств. Устройство, аналогов которого в России пока нет, разработали в Институте регенеративной медицины Сеченовского Университета

Речь идет о так называемой коже-на-чипе — модели кожи человека на основе микрофлюидного чипа. В нем размещен кожный микробиом — бактерии, обитающие на человеческой коже. Технология даст возможность испытывать новые лекарства и изучать, как возникают различные кожные заболевания.

Институт регенеративной медицины Сеченовского Университета Минздрава России уже давно работает с различными клеточными и тканевыми моделями, воспроизводящими естественные ткани организма человека. В частности, проекты, связанные с кожей, активно ведутся с 2021 года.

«Кожные заболевания, особенно детские, остаются одной из ведущих по распространенности нозологий в России и в мире. В том числе это связано с малым числом препаратов нового поколения, доходящих до клинического применения. Мы рассчитываем, что наша модель сократит сроки разработки новых препаратов, позволяя отсеивать неэффективные средства еще на ранних этапах тестирования, а также откроет новые пути для лечения заболеваний, развивающихся вследствие дисбактериоза», — рассказала «Стимулу» руководитель проекта, директор дизайн-центра «Биофабрика» Сеченовского Университета Полина Бикмулина.

Для тестирования лекарственных препаратов сейчас используются модели, в которых микробиом кожи не учитывается. Между тем эти микроорганизмы играют важную роль в обменных процессах и влияют на эффективность веществ, наносимых на кожу. Они взаимодействуют с компонентами препаратов, могут их разлагать, одни вещества задерживать на поверхности кожи, другие переносить в более глубокие слои.

Отсутствие образцов, по своему составу и качеству приближенных к естественной человеческой коже, резко ограничивает возможности исследований для получения точных результатов о действии новых лекарств. И это одна из причин того, что многочисленные работы в сфере кожных заболеваний достаточно редко приводят к появлению новых препаратов.

Близко к оригиналу

Испытания лекарств от кожных заболеваний состоят из нескольких этапов. Сначала проводятся доклинические исследования, когда препарат тестируется на стандартных клеточных культурах, моделях кожи, а затем на животных. После этого начинается клиническое исследование на людях, которое проводится в несколько фаз: в первой оценивается безопасность препарата, во второй определяются оптимальная доза и схема применения, третья фаза подтверждает эффективность лекарства и безопасность при длительном использовании. Наконец, четвертая фаза проводится после выхода препарата на рынок для долгосрочного мониторинга безопасности и эффективности.

«Ни кожа животных, ни существующие модели на основе клеточных культур не соответствуют коже человека в достаточной степени, поэтому они далеко не всегда позволяют достоверно оценить эффекты новых препаратов и их фармакокинетику, — рассказывает Полина Бикмулина. — В частности, они не воспроизводят микробиом, характерный для кожи человека. Микроорганизмы влияют на метаболизм наносимых на кожу средств, и в итоге препарат, показавший эффективность в доклинических испытаниях, может не оправдать себя в клинических. Все это чревато упущенным временем и лишними затратами на исследования».

Для создания модели, которая максимально соответствует реальности, исследователи из Сеченовского Университета разработали прототип «кожи-на-чипе». Модель построена на основе коллагеновой мембраны, заселенной двумя типами клеток: кератиноцитами, составляющими большую часть клеток эпидермиса, и фибробластами — главными клетками дермы. Верхний слой этого конструкта населен бактериями, типичными для кожи здорового человека. Мембрана находится внутри микрофлюидного чипа, который обеспечивает клетки и бактерии всеми необходимыми питательными веществами. С самого начала процесс выращивания «кожи» и микробиома происходит одновременно, что позволяет создать единую систему.

В настоящее время исследователи проверяют, как созданная модель реагирует на стандартные препараты. Необходимо удостовериться, что ее функционирование соответствует поведению настоящей кожи. После этого можно будет перейти к испытаниям других лекарств.

«В дальнейшем модель можно будет использовать не только для тестирования препаратов, но и для изучения механизмов развития кожных заболеваний, например акне. Бактериальный консорциум играет в патогенезе важную роль, и модель позволит выяснить, какие бактерии более важны, какие — менее и как они взаимодействуют между собой, чтобы поддерживать здоровый микробиом», — отметила Полина Бикмулина.

Микрофлюидные перспективы

Расскажем немного и о принципе, лежащем в основе этих устройств. Микрофлюидика — междисциплинарное направление, изучающее закономерности поведения жидкостей при движении по узким каналам внутри герметичных микрочипов. Микрофлюидный чип, соответственно, представляет собой устройство с системой каналов, по которым проходит жидкость. В случае модели «кожа-на-чипе» чип воспроизводит микроциркуляторное русло кожи.

«Если говорить о применении микрофлюидных чипов для создания “органов-на-чипе”, то их перспективность очевидна: такой подход позволяет создавать максимально точные модели тканей и функционирующих органов человека, которые можно использовать для разработки и тестирования лекарств, а также для изучения развития различных заболеваний. Такие исследования наиболее близки к исследованиям на людях, что позволяет в первом случае минимизировать риски для будущих испытуемых, а во втором — воссоздать болезнь без необходимости годами наблюдать за реальным пациентом», — поясняет Полина Бикмулина.

Микрофлюидные технологии открывают широкие горизонты для поддержания жизнеспособности клеток. Помимо кожного устройства группа исследователей разрабатывает также “печень-на-чипе” — аналогичную систему, но с клетками печени. Такой прибор способен реагировать на различные лекарства подобно настоящему органу, что позволит исследователям предугадывать реакции клеток печени человека на лекарственные препараты.