Ученые помещают человеческий рот на микрочипы

Ученые помещают человеческий рот на микрочипы

Микрочипы, имитирующие части человеческого тела, могут показаться футуристическими, но эти устройства, называемые органами на чипах, уже используются для изучения биологии человека. Изготовленные из пластика, с канавками, выстланными ячейками и каналами, по которым транспортируется воздух и жидкости, эти чипы могут имитировать аспекты структуры и функционирования органов.

Чипы были разработаны для имитации множества различных частей тела, включая ткани бьющегося сердца, фильтрующие воздух клетки легких и электрически активные клетки мозга. Эта технология может помочь ускорить открытие лекарств, обеспечить персонализированную медицину и даже уменьшить потребность в экспериментах на животных.
Исследователи в рамках проектов, поддерживаемых Национальным институтом стоматологических и черепно-лицевых исследований США (NIDCR), используют преимущества этой технологии, помещая части человеческого рта на чипы, чтобы найти лучшие способы лечения заболеваний полости рта. От исследований «зуб на чипе» в Университете здравоохранения и науки штата Орегон (OHSU) до разработки чипа для слюнных желез в Университете Рочестера и многого другого, ученые тестируют стоматологические материалы, перепрофилируют лекарства для лечения дисфункции слюнных желез и изучают внутреннюю работу полости рта.

На ранних стадиях исследований заболеваний человека ученые проводят исследования на животных или клетках, которые культивируются в чаше Петри. Однако результаты, полученные от животных, не всегда переносятся на людей, и клетки могут вести себя в двумерной чаше иначе, чем в человеческом теле. Органы на чипах, также известные как тканевые чипы, занимают уникальную нишу между живыми системами и культивируемыми клетками, создавая среду для трехмерного роста тканей и проявления более реалистичных реакций.

Луис Бертассони (крайний справа) и его команда разработали миниатюрную зубную систему для тщательного наблюдения за взаимодействием между стоматологическими материалами, микробиомом и тканью зуба.

«В некотором смысле мы помещаем окошко на ткань и можем наблюдать, как она реагирует», — говорит доктор Луис Бертассони из OHSU, кандидат наук. Пару лет назад команда Бертассони разработала первый зуб на чипе, чтобы понять, как микробы и биоматериалы, такие как зубные пломбы, взаимодействуют с зубами.

Чип размером с марку состоит из тонкого кусочка человеческого моляра, зажатого между двумя камерами. Одна камера, представляющая внутреннюю часть зуба, содержит пульпу зуба, которая состоит из клеток, поддерживающих жизнедеятельность зуба; другая камера имитирует внешнюю часть зуба, где она вступает в контакт с бактериями полости рта и стоматологическими материалами.

В то время как ученые тщательно изучали стоматологические материалы на животных и клеточную культуру, они не до конца понимали, как реагируют клетки внутри настоящего человеческого зуба. Используя свой недавно разработанный зуб на чипе, команда Бертассони решила восполнить этот пробел в исследовании 2020 года. На поверхность среза моляра команда нанесла протравку, праймер и адгезив — материалы, используемые для стандартных реставраций зубов, таких как лечение кариеса и сколов зубов.

Используя микроскоп, чтобы заглянуть сквозь прозрачный резиновый корпус чипа, исследователи наблюдали, как пульпа в режиме реального времени реагирует на материалы, нанесенные на срез зуба. Уже через 24 часа после нанесения ученые наблюдали изменения в форме и структуре клеток пульпы. Важно отметить, что команда обнаружила доказательства потенциального вреда, поскольку реставрационные материалы могли достигать, повреждать и даже убивать клетки пульпы, проникая через крошечные трубчатые структуры в срезе зуба.

Некоторые из этих процедур проводятся миллионы раз за один день по всему миру, и Бертассони не ожидал, что воздействие на клетки будет таким заметным.

В исследовании его команда обнаружила, что применение различных реставрационных материалов с биологически активными свойствами способствует росту клеток пульпы и подавляет бактерии, вызывающие кариес на зубном чипе. Исследования продемонстрировали, как система может помочь в изучении интерфейса зуба и получить представление о том, как стоматологические материалы влияют на генетику зубов, здоровье и выживаемость.

Бертассони предполагает, что чип может помочь привести к разработке менее вредных стоматологических материалов и открыть двери для персонализированной стоматологии, где врачи могли бы разработать чип для каждого пациента, чтобы адаптировать индивидуальные методы лечения.

Даниэль Бенуа, кандидат наук из Университета Рочестера, и ее коллеги, Лиза Делуиз, кандидат наук, и Кэтрин Овитт, кандидат наук, разрабатывают чипы слюнных желез для тестирования лекарств, которые могли бы защитить железы от побочных эффектов лучевой терапии при раке головы и шеи.

Лиза Делуиз (слева), Даниэль Бенуа (справа) и Кэтрин Овитт (нет на фото) разработали тканевый чип (вверху) с пузырьковыми лунками, в которых находятся крошечные скопления слюнных желез, похожие на скопления, для выявления лекарств, которые защищают слюнные железы от лучевой терапии рака головы и шеи.

«Эти чипы ценны как новый инструмент для исследования функции слюнных желез in vitro», — говорит Бенуа. Их работа поддерживается NIDCR в рамках программы транснациональных институтов здравоохранения (NIH) «Тканевые чипы для скрининга лекарств», возглавляемой Национальным центром передовых трансляционных наук (NCATS), целью которого является разработка тканевых чипов для ускорения перевода основных открытий в клинику.

У больных раком головы и шеи лучевая терапия может привести к необратимому повреждению слюнных желез, нарушению выработки слюны и возникновению хронической сухости во рту. При достаточном количестве слюны у людей могут возникнуть трудности с приемом пищи и речью, и они подвергаются повышенному риску развития кариеса и других проблем со здоровьем полости рта. Защитный препарат под названием амифостин, который клиницисты давали перед лучевой терапией вызывал побочный эффект — резкое падение кровяного давления. Это заставило многих пациентов и клиницистов отказаться от его применения.

Чтобы найти лучшие радиозащитные препараты, команда из Рочестера разработала тканевой чип, который содержит сотни крошечных скоплений клеток, похожих на железы слюнных желез человека, для быстрого скрининга лекарств. Каждый кластер клеток слюнной железы суспензирован в гелеобразном материале и посеян в микропузырьке в форме аквариума, который меньше песчинки. Уникальная архитектура пузырьков формирует скопления, напоминающие глобусы, которые составляют настоящие слюнные железы. Крошечная среда также концентрирует жизненно важные белки и другие молекулы, необходимые для поддержания жизни и функционирования тканей.

В 2021 году исследователи сообщили, что кластеры слюнных желез поддерживают клеточную организацию, экспрессируют гены, секретируют белки и реагируют на сигналы секреции жидкости так же, как настоящие слюнные железы. Они также обнаружили, что препарат амифостин защищает клеточные кластеры от радиационно-индуцированного повреждения, что указывает на потенциал чипов слюнных желез для облегчения крупномасштабных исследований лекарств. Позже команда планирует провести скрининг более 800 соединений, одобренных Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США, чтобы найти радиозащитные препараты, которые можно было бы использовать для лечения больных раком головы и шеи.

В то время как команды OHSU и Университете Рочестера продолжают оптимизировать и проверять свои чипы, другие исследования, поддерживаемые NIDCR, также разрабатывают чипы, связанные с полостью рта. Некоторые исследовательские группы разрабатывают чипы, имитирующие барьерную ткань полости рта, чтобы понять заболевание десен, в то время как другие разрабатывают чип ткани десен для разработки методов лечения язв во рту, вызванных терапией рака. Еще одна исследовательская группа даже создает «человека» на чипе путем интеграции тканей из нескольких систем организма; проект поддерживается NIDCR и несколькими другими институтами NIH в рамках программы трансплантации тканей.

«Эти чипы действительно обладают трансляционным потенциалом для открытия чего-то, что может повлиять на уход за пациентами», — говорит Делуиз.

Подписывайтесь на наш Telegram, чтобы быть в курсе важных новостей медицины
Читайте также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *