Что такое «орган-на-чипе»?
Системы «орган-на-чипе» (Organ-on-a-Chip, OoC) — это микроинженерные устройства, которые воспроизводят отдельные функции органов человека с использованием живых человеческих клеток. Это инновационное направление объединяет технологии «лаборатория-на-чипе» (Lab-on-a-Chip) и современные методы клеточной биологии для создания микрофлюидных платформ.
Такие системы выпускаются в различных форматах:
- небольшие микрофлюидные чипы, часто размером с предметное стекло, для специализированных и поисковых исследований;
- стандартные форматы многолуночных планшетов, например с габаритами 96-луночного планшета, совместимые с микроскопами, инкубаторами, автоматизированными системами и оборудованием для высокопроизводительного скрининга.
Ключевыми элементами систем «орган-на-чипе» являются микрофлюидные каналы, имитирующие кровоток, трехмерные структуры, механические воздействия и точно контролируемое микроокружение. Благодаря этому OoC-модели способны более реалистично и динамично воспроизводить физиологические процессы по сравнению с традиционными клеточными культурами.
Преимущества технологии «орган-на-чипе»
Технология «орган-на-чипе» открывает новые возможности для биологических исследований и фармацевтической разработки. OoC-системы позволяют решать несколько важных задач.
Более точное прогнозирование реакций организма человека
Технология «орган-на-чипе» потенциально позволяет получать релевантные для человека данные уже на ранних этапах исследований и выявлять неэффективные или небезопасные лекарственные кандидаты на начальных стадиях разработки. Многие потенциальные лекарственные препараты отсеиваются в процессе разработки, а OoC позволяет обнаруживать причины неудач раньше и с меньшими затратами.
Сокращение экспериментов на животных
Системы «орган-на-чипе» способствуют развитию более этичных подходов к исследованиям и позволяют получать данные, которые во многих случаях обладают большей прогностической ценностью для человека, чем результаты, полученные на животных моделях.
Точное моделирование заболеваний
OoC-системы позволяют воспроизводить in vitro сложные биологические процессы, включая воспаление, нарушение барьерных функций тканей и распространение опухолевых клеток.
Развитие персонализированной медицины
В системах «орган-на-чипе» могут использоваться клетки, полученные от конкретных пациентов, что позволяет изучать индивидуальные реакции на различные методы лечения.
Повышение эффективности исследований
Технология «орган-на-чипе» хорошо интегрируется с автоматизированными и высокопроизводительными рабочими процессами.
Технология «орган-на-чипе»: от отдельных устройств к платформам, ориентированным на данные
Первые разработки в области «орган-на-чипе» часто были сосредоточены на создании уникальных отдельных устройств — каждый новый чип представлял собой небольшое достижение микроинженерии. Однако по мере развития этой области меняется и представление об успешной технологии.
Истинная ценность OoC заключается не в сложности или элегантности отдельного устройства, а в биологической информации и надежных данных, которые оно позволяет получить. Сегодня акцент смещается с самого устройства на качество данных: системы «орган-на-чипе» должны обеспечивать воспроизводимые и физиологически релевантные результаты, способные ускорить биологические исследования и разработку лекарственных препаратов.
Это предполагает разработку устройств с учетом конечной исследовательской задачи, использование высококачественных клеточных материалов, интеграцию датчиков для непрерывного мониторинга и соответствие требованиям и стандартам, которые обеспечивают доверие промышленности и регулирующих органов к получаемым данным.
Вместо создания нового специализированного чипа для каждого эксперимента все больше внимания уделяется универсальным платформам, которые можно масштабировать для высокопроизводительных исследований и адаптировать под различные ткани или модели заболеваний.
Иными словами, основной вопрос постепенно меняется с «Что может этот чип?» на «Какие знания мы можем получить с его помощью и насколько просто это сделать?»
Подход Micronit соответствует этой концепции, ориентированной на данные. Компания разрабатывает интегрированную платформу для технологии «орган-на-чипе» — своего рода «соединительную ткань», объединяющую различные органные модули, датчики и микрофлюидные контуры в единую систему.
Уделяя особое внимание инфраструктуре OoC — материалам, интерфейсам и стандартам, обеспечивающим совместную работу различных компонентов, — Micronit дает исследователям возможность комбинировать разные модели органов и системы считывания данных в зависимости от конкретной задачи.
Цель компании — помочь пользователям быстрее получать более качественные данные, упростив соединение и масштабирование систем, а также сравнение результатов, полученных на различных моделях органов, чтобы в конечном итоге преобразовывать их в практически значимые биомедицинские знания.
Как разрабатываются модели «орган-на-чипе»?
При разработке моделей «орган-на-чипе» Micronit использует широкий спектр технологических компетенций. Платформенный подход компании основан на инновационных решениях в области материалов и проектирования, разработанных благодаря многолетнему опыту в микрофлюидике и производстве MEMS.
К ключевым возможностям относятся следующие.
Высокоэффективные материалы
Micronit специализируется на микрофабрикации изделий из стекла, кремния и полимеров, используя преимущества каждого материала. Грамотный выбор и, при необходимости, сочетание различных материалов позволяют создавать устройства «орган-на-чипе», отвечающие требованиям как передовых научных исследований, так и промышленного производства.
Гибридная интеграция компонентов
Создание многофункциональной системы «орган-на-чипе» зачастую требует объединения различных элементов — стеклянных подложек, полимерных структур и кремниевых чипов — в одном устройстве.
Micronit разработала технологии надежного соединения различных материалов. Для этого используются, например, микроструктурированные клеевые слои, а также методы плазменного или химически активированного бондинга, позволяющие получать герметичные соединения между стеклянным слоем с микроканалами и полимерной подложкой.
Такой подход к гибридной сборке также позволяет интегрировать непосредственно в чип чувствительные электронные компоненты.
Интеграция датчиков для мониторинга в реальном времени
Системы «орган-на-чипе» требуют постоянного наблюдения за состоянием живых тканей. Micronit обладает опытом интеграции различных встроенных датчиков, обеспечивающих непрерывный сбор данных.
Это могут быть электроды для измерения электрического сопротивления, позволяющие оценивать целостность барьерных слоев ткани, а также интегрированные расходомеры и химические датчики сторонних производителей. Такие сенсоры обеспечивают оперативную информацию о состоянии микроокружения без нарушения жизнедеятельности клеток.
Модульность и стандартизация
Одно из наиболее перспективных направлений — создание модульных систем «plug-and-play» для технологии «орган-на-чипе». Поскольку один тип чипа не может подходить для всех экспериментов, ключевое значение приобретает гибкость: возможность заменять отдельные органные модули, добавлять датчики или насосы и при необходимости соединять несколько чипов в единую систему «тело-на-чипе» (Body-on-a-Chip).
Интеграция с существующим лабораторным оборудованием
Micronit учитывает, что внедрение новых технологий становится проще, если они совместимы с привычными и хорошо зарекомендовавшими себя лабораторными инструментами. Хорошим примером является широко известная культуральная вставка ThinCert® — небольшая пористая мембрана, используемая в стандартных многолуночных планшетах для культивирования клеток. Вместо замены таких распространенных инструментов Micronit разработала прототипы решений, позволяющих интегрировать их в микрофлюидные системы.
Будущее технологии «орган-на-чипе»
Технология «орган-на-чипе» быстро распространяется в фармацевтической и биотехнологической промышленности, токсикологии и академических исследованиях. Регулирующие органы все чаще рассматривают данные, полученные с помощью OoC-систем, в контексте оценки безопасности.
Дальнейшее развитие этой области зависит от объединения биологических знаний с масштабируемыми инженерными технологиями. Именно здесь важную роль играют такие компании, как Micronit, предоставляющие производственную и технологическую базу, необходимую для широкого внедрения OoC-систем.
Цель Micronit — сделать технологию «орган-на-чипе» более функциональной, удобной и практически значимой. Сосредоточившись на инновациях платформенного уровня, компания стремится преодолеть разрозненность существующих решений.
В перспективе исследователям и разработчикам не придется выбирать между специализированными органными чипами разных производителей. Вместо этого они смогут соединять различные компоненты между собой, доверять получаемым данным и масштабировать перспективные модели в соответствии с требованиями промышленного применения.
Micronit стремится развивать новый подход к технологии «орган-на-чипе», основанный на бесшовной интеграции биологии и инженерных решений, при которой результаты исследований одного «органа» можно быстро связать с экспериментами на других моделях.
Создавая необходимые инструменты и разрабатывая стандарты для единой OoC-экосистемы, компания помогает своим партнерам переходить от отдельных инновационных решений к комплексным платформам, ориентированным на получение данных. Переход от специализированных чипов к взаимосвязанным платформам уже начался, и Micronit стремится обеспечить реализацию потенциала этой технологии для научных исследований и здравоохранения.
