Сайт издательства «Медиа Сфера»
содержит материалы, предназначенные исключительно для работников здравоохранения. Закрывая это сообщение, Вы подтверждаете, что являетесь дипломированным медицинским работником или студентом медицинского образовательного учреждения.

Кравченко С.В.

ФГАУ НМИЦ «Межотраслевой научно-технический комплекс «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России»

Мясникова В.В.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздрава России;
ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр "Межотраслевой научно-технический комплекс «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова"» Минздрава России

Сахнов С.Н.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный медицинский университет» Минздрава России;
Краснодарский филиал ФГАУ «МНТК "Микрохирургия глаза" им. акад. С.Н. Федорова» Минздрава России

Применение технологии «орган-на-чипе» в экспериментальной офтальмологии

Авторы:

Кравченко С.В., Мясникова В.В., Сахнов С.Н.

Подробнее об авторах

Журнал: Вестник офтальмологии. 2023;139(1): 114‑120

Просмотров: 2002

Загрузок: 78


Как цитировать:

Кравченко С.В., Мясникова В.В., Сахнов С.Н. Применение технологии «орган-на-чипе» в экспериментальной офтальмологии. Вестник офтальмологии. 2023;139(1):114‑120.
Kravchenko SV, Myasnikova VV, Sakhnov SN. Application of the organ-on-a-chip technology in experimental ophthalmology. Russian Annals of Ophthalmology. 2023;139(1):114‑120. (In Russ., In Engl.)
https://doi.org/10.17116/oftalma2023139011114

Рекомендуем статьи по данной теме:
Тех­но­ло­гии би­опе­ча­ти в оф­таль­мо­ло­гии. Вес­тник оф­таль­мо­ло­гии. 2023;(5):105-112

Культуры клеток и тканей in vitro являются универсальными биологическими моделями в сфере биомедицинских исследований. Их применение позволяет значительно удешевить доклинические исследования новых препаратов и сократить их сроки, решить связанные с использованием лабораторных животных этические проблемы и изучить механизмы биологической активности исследуемых соединений на клеточном уровне, в том числе с учетом эффектов взаимодействия нескольких различных веществ [1]. Клеточные и тканевые культуры также находят активное применение в сфере исследований в офтальмологии, например при разработке методов клеточной терапии патологии органа зрения [2].

Дальнейшее развитие культуральных техник и их объединение с микрофлюидными технологиями привело к появлению такой передовой методики, как «орган-на-чипе» (Organ-on-chip), позволяющей моделировать структуру человеческих органов и тканей. Ее существенное отличие от стандартных двух- и трехмерных культур клеток и преимущество перед ними заключается в возможности воспроизводить in vitro минимальную функциональную единицу органа или системы органов. Данный аспект позволяет технологии «орган-на-чипе», оставаясь в группе методов in vitro и сохраняя их преимущества, преодолеть имеющиеся ограничения и приблизиться по точности моделирования к in vivo моделям [3]. В настоящее время технология «орган-на-чипе» позволяет моделировать физиологические процессы в таких органах и структурах организма, как печень, сердце, легкое, гематоэнцефалический барьер [4]. Также технология «орган-на-чипе» позволяет моделировать работу различных структур глаза и его вспомогательного аппарата [5], что делает ее востребованным инструментом экспериментальной и фундаментальной офтальмологии.

Цель обзора — освещение основных направлений использования методики «орган-на-чипе» в современной экспериментальной офтальмологии.

Краткое описание технологии «орган-на-чипе»

В основе системы «орган-на-чипе» лежит микрофлюидное устройство, которое конструктивно представляет собой пластину из прозрачного материала, в которой имеются микроканалы, обеспечивающие преимущественно ламинарный ток жидкостей; реакционные камеры, содержащие в себе живые клетки одного или нескольких типов; мембраны, на которых также могут располагаться клетки в один или несколько слоев; микроклапаны и насосы [4, 6, 7]. Схема и взаиморасположение каналов и реакционных камер, состав и характер сопряжения клеток разных типов, пути движения контактирующих с клетками сред по каналам микрофлюидного устройства различны в зависимости от моделируемого физиологического или патологического процесса и выбранного протокола исследования.

Микрофлюидное устройство изготавливается из различных материалов, наиболее распространенным из которых является полидиметилсилоксан (PDMS). Данный материал отличается высокой эластичностью, что позволяет выполнять различные манипуляции над клетками прямо в микрофлюидной системе и моделировать механические свойства биологической ткани; оптическая прозрачность обеспечивает возможность визуализации клеток и наблюдения за ними. Хорошая проницаемость для кислорода, биосовместимость и низкая токсичность делают возможным долговременное культивирование клеток в микрофлюидных камерах. Кроме того, процесс изготовления микрофлюидных систем на основе PDMS методом мягкой литографии достаточно дешев и прост [4, 8]. Однако PDMS не лишен и недостатков: он способен адсорбировать малые гидрофобные молекулы, включая компоненты питательной среды, сигнальные молекулы, продуцируемые клетками, и вещества, добавляемые в систему для изучения их эффектов, снижая их концентрацию и внося таким образом искажения в результаты исследования [8—10]. В связи с этим активно исследуются иные материалы для изготовления микрофлюидных систем, среди которых термопластические полимеры (полиметилметакрилат, поликарбонат, полилактид и др.), различные эластомеры (например на основе полиэстера), стекло, керамика, бумага, гидрогели и иные материалы, а также их комбинации [8]. Отдельно из вышеперечисленного стоит выделить такой класс материалов, как активно применяющиеся в исследованиях в сфере тканевой инженерии и регенеративной медицины гидрогели, которые обладают высокой биосовместимостью, имитируют механические и структурные свойства тканей, обеспечивают диффузию кислорода и питательных веществ и обладают обширными возможностями химической модификации [11]. Описанные свойства делают гидрогели сходными с внеклеточным матриксом, что позволяет использовать их не только как материал для самой микрофлюидной системы, но и как среду, непосредственно в объеме которой могут быть иммобилизованы клетки, либо в качестве аналога биологических барьерных структур и мембран, разделяющих разные типы клеток и тканей [8].

Важной стороной систем «орган-на-чипе» является возможность регистрации, мониторинга и анализа происходящих в них процессов, в том числе в режиме реального времени. Поскольку большинство применяемых в системах «орган-на-чипе» микрофлюидных систем изготавливаются из оптически прозрачных материалов, для наблюдения за поведением клеток и током жидкостей в системе применяется оптическая микроскопия [8, 9]. Для других наблюдений непосредственно в систему встраиваются различные сенсоры [4]. Среди них — сенсоры pH, CO2-сенсоры, O2-сенсоры, датчики температуры, специальные электрохимические сенсоры, рассчитанные на определенные соединения, биомаркеры и метаболиты, позволяющие оценивать происходящие в системе «орган-на-чипе» метаболические процессы и поддерживать заданные условия культивирования клеток. В системах «орган-на-чипе», предназначенных для оценки тканеинженерных конструкций, могут применяться механосенсоры для оценки механических свойств и реакции на различные механические воздействия. Для регистрации электрической активности возбудимых тканей в систему встраиваются микроэлектроды [12].

Применение технологии «орган-на-чипе» для моделирования структур переднего отрезка глаза

Основными структурами переднего отрезка глаза являются роговица, радужка и хрусталик [13]. Роговица, обеспечивающая существенную долю преломляющей силы глаза, кроме того, является важной барьерной структурой, защищающей орган зрения от воздействия внешних факторов, в связи с чем барьерная функция роговичного эпителия является важным аспектом токсикологических исследований [14]. Также культивирование клеток эпителия роговицы на мембранах, встроенных в микрофлюидные системы, позволяет изучать барьерную функцию роговицы и в отношении применяемых топикально препаратов [15]. Первыми системами «орган-на-чипе», моделирующими роговицу, воспроизводилась только вышеназванная структура в виде слоистых конструкций из клеток эпителия и стромы роговицы на мембране из коллагеновго витригеля [5]. Системы такого рода могут быть использованы для выявления раздражающего действия различных соединений на ткани роговицы. Так, внесение щелочи (NaOH) приводит к нарушению целостности тканевых эквивалентов в подобных системах, что является наглядной демонстрацией концепции [16].

Однако для более полного моделирования процессов, происходящих в структурах глазной поверхности, одной лишь роговицы недостаточно — современные системы «орган-на-чипе» обычно моделируют всю глазную поверхность в целом, включая конъюнктиву и слезную пленку [16]. Наиболее совершенные модели «роговицы-на-чипе» обычно носят название blinking eye on a chip, т. е. «моргающий глаз-на-чипе». Из названия следует, что ключевым моментом является моделирование слезной пленки в ее динамике и возникающих в процессе моргания сдвиговых механических нагрузок на роговичный эпителий, играющих большую роль в поддержании гомеостаза самой роговицы и передней камеры, реализации ее барьерной функции и оказывающих влияние на течение патологий роговицы и ее взаимодействие с токсичными и лекарственными веществами [14].

Проиллюстрировать успешную реализацию системы «моргающий глаз на чипе» можно работой J. Seo и соавт. (2019). На куполообразном каркасе, имитирующем форму роговицы, были высеяны соответствующие клетки: в толще каркаса располагали кератоциты для моделирования субэпителиальной стромы, а на его поверхность методом 3D-биопечати нанесли клетки роговичного эпителия в центре и конъюнктивального эпителия по периферии, воспроизводя таким образом взаиморасположение соответствующих структур в человеческом глазу. Полученная тканеинженерная конструкция располагалась в специальной микрофлюидной системе, прокачивающей культуральную среду под куполом, воспроизводя переднюю камеру, где сверху клетки эпителия находились на границе раздела фаз жидкой и газообразной сред, что обеспечивало имитацию слезной пленки. По поверхности тканевого эквивалента роговицы перемещалось приводимое в движение электромеханическим актуатором искусственное веко из гидрогеля с частотой 0,2 Гц, имитируя физиологический акт спонтанного моргания. Разработанная система достаточно точно воспроизводила анатомию и физиологию глазной поверхности: эпителиальные клетки роговицы сформировали структуру из 7—8 слоев клеток, покрывающих строму с кератоцитами. Имелся слой клеток роговичного эпителия, экспрессирующих специфический маркер базальных клеток p63, также роговичными эпителиоцитами экспрессировались цитокератин-3 и -12. Клетки конъюнктивального эпителия экспрессировали цитокератин-19 и муцин. Система позволяла моделировать такую патологию, как синдром сухого глаза: при снижении частоты морганий гидрогелевого века повышалась осмолярность слезной жидкости, уменьшалось время разрыва слезной пленки и снижалась продукция либрицина роговичными эпителиоцитами; флюоресцеиновая проба показывала патологические изменения поверхности. Топикальное внесение либрицина на поверхность роговичного эквивалента приводило к стабилизации слезной пленки и увеличению времени ее разрыва, восстановлению структуры роговичного эпителия, подтверждаемому флюоресцеиновой пробой [17]. Вышеописанная работа демонстрирует возможность детального и высокоточного моделирования нормальной структуры глазной поверхности, а также моделирования ее патологии и применения к ней терапевтической стратегии, что актуально как при изучении патогенеза заболеваний, так и при доклинических испытаниях лекарственных препаратов.

В сравнении с роговицей и глазной поверхностью реализация остальных структур передней камеры глаза в системах «орган-на-чипе» в настоящее время еще не получила аналогичного уровня развития [16]. Наиболее приближенной по концепции к «органу-на-чипе», но не являющейся им в полной мере, можно считать технологию культивирования хрусталиковых телец (микрохрусталиков) — органоидов, воспроизводящих человеческий хрусталик в миниатюре. С их помощью исследуют патогенез катаракты и различные терапевтические стратегии ее профилактики и замедления прогрессирования, а также факторы риска развития этого заболевания [18]. Не исключено, что по мере совершенствования микрофлюидных технологий и накопления новых сведений о физиологии хрусталика и патофизиологии катаракты могут быть созданы системы, в которых хрусталиковые тельца могут быть культивированы в виде «органа-на-чипе». Способность данных органоидов к фокусированию света [19] позволяет сделать предположение о возможности оснащения содержащей их системы «орган-на-чипе» источниками света и оптическими датчиками для оценки их светопропускающей и преломляющей способности и иных оптических свойств под действием различных патологических факторов и лекарственных препаратов.

Кроме моделирования структур переднего отрезка глаза, немаловажным аспектом является и моделирование взаимодействия глазной поверхности с различными медицинскими изделиями. Одним из таких примеров является разработка системы «контактная линза-на-чипе», моделирующая взаимодействие слезной жидкости человека с контактной линзой для персонализированного подбора материала контактных линз и средства по уходу за ними индивидуально конкретному пациенту в зависимости от особенностей состава его слезной жидкости.

Технология может быть проиллюстрирована на примере разработки A. Guan и соавторов, в рамках которой была разработана система «контактная линза-на-чипе», представляющая собой микрофлюидное устройство в виде пластины из PDMS, содержащей ячейки для образцов материала исследуемых контактных линз. Через систему микроканалов к ним могут подаваться образец слезной жидкости пациента и образцы различных средств для ухода за контактными линзами. Система позволяет оценить степень загрязнения контактных линз из разных материалов белковыми и иными компонентами слезной жидкости конкретного пациента, степень очистки линз от данных загрязнений различными средствами по уходу, а также способность различных дезинфицирующих растворов для линз бороться с образованием бактериальных пленок [20].

Применение технологии «орган-на-чипе» для моделирования структур заднего отрезка глаза и связанных с ними патологий

Сетчатка, будучи одним из ключевых элементов глаза, обеспечивающих зрительную функцию, является важным объектом для экспериментов in vitro, в связи с чем вопрос культивирования ее клеток имеет достаточно высокое значение. Диссоциированные культуры клеток сетчатки активно используются в токсикологии и при скрининге лекарств. Органотипическое культивирование [21], а также получение органоидов и клеточных 3D-сфероидов сетчатки и ретинального пигментного эпителия (РПЭ) расширяют возможности скрининга лекарственных препаратов, позволяют моделировать широкий спектр заболеваний сетчатки, изучать процессы развития сетчатки и роль различных генов в этом процессе, разрабатывать новые подходы к лечению заболеваний заднего отрезка глаза методами регенеративной медицины [5, 22—24]. Тем не менее в патогенезе ряда заболеваний сетчатки существенную роль играют процессы, ассоциированные с иммунными клетками и сосудистым руслом. Особенно важную роль играют наружный и внутренний гематоретинальные барьеры [5], нарушение работы которых — неотъемлемая часть патогенеза таких заболеваний, как возрастная макулярная дегенерация, диабетический макулярный отек, диабетическая ретинопатия. Воспаление, гипоксия и гипергликемия активно вовлечены в нарушение работы гематоретинального барьера, равно как и индуцируемая ими продукция фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) [25].

Простейшая реализация наружного гематоретинального барьера в системе «орган-на-чипе» представляет собой микрофлюидную систему, в которой клетки РПЭ и сосудистого эндотелия высеяны на противоположных сторонах пористой мембраны. С каждой стороны соответствующие клетки на мембране омываются средой [26].

Устроенная по описанному выше принципу система, разработанная L.J. Chen и соавт. (2017), позволяет моделировать связанные с нарушением гематоретинальных барьеров патологии. Так, при имитации гипоксии путем перфузии через микрофлюидную систему раствора, содержащего CoCl2, происходило увеличение секреции VEGF клетками РПЭ. Также перфузия среды с повышенным содержанием VEGF через камеру с клетками РПЭ приводила к процессам миграции в данную камеру эндотелиальных клеток через пористую мембрану по градиенту концентрации [27].

Системы «орган-на-чипе» с клетками РПЭ не только способны воспроизводить патологии как в вышеприведенном примере, но и позволяют применять различные терапевтические методики к данным моделям заболеваний [5]. Так, в работе M. Chung и соавт. (2018) в микрофлюидной системе, более детально моделирующей гематоретинальный барьер, путем введения VEGF моделировали влажную форму возрастной макулярной дегенерации. В микрофлюидном чипе происходила инфильтрация проникающими через фибриновый гидрогель эндотелиоцитами слоя клеток РПЭ. Последующее введение в систему использующегося для терапии данного заболевания препарата бевацизумаб предотвращало развитие патологической неоваскуляризации [5, 28].

Внутренний гематоретинальный барьер имеет общее происхождение с гематоэнцефалическим, являясь похожим на него в морфофункциональном отношении, и так же может быть смоделирован [29]. Для создания модели внутреннего гематоретинального барьера необходимо культивирование уже нейронных элементов сетчатки. Примером системы «орган-на-чипе», способной моделировать работу как наружного, так и внутреннего гематоретинального барьера, является устройство, описанное в работе J. Yeste и соавт. (2018). В разработанном данным коллективом микрофлюидном чипе на стеклянной пластине с массивом микроэлектродов располагалась конструкция из PDMS, образующая вместе с микроэлектродной подложкой семь продольных камер, лежащих в одной плоскости и отделенных друг от друга пористыми мембранами. Размер пор исключал миграцию клеток между камерами, однако допускал прорастание нейритов и межклеточные взаимодействия, в том числе с образованием контактов. Клетки высевались в следующей конфигурации: в трех центральных камерах располагались клетки нейробластомы человека линии SH-SY5Y, моделирующие нейроретину. В двух же крайних камерах, прилегающих к центральным, были расположены клетки эндотелия сосудов в одной и клетки РПЭ — в другой, что соответствовало внутреннему и наружному гематоретинальным барьерам. Электроды, расположенные под клетками сосудистого эндотелия и РПЭ, позволяли регистрировать в режиме реального времени изменения величины трансэпителиального электрического сопротивления (TEER) [30], являющегося важнейшим электрофизиологическим параметром, позволяющим оценить барьерные и транспортные свойства эпителиального слоя. TEER характеризует транспорт ионов через эпителий, представляя собой интегральный показатель, включающий в себя как парацеллюлярную проводимость плотных межклеточных контактов, так и трансцеллюлярную проводимость клеточных мембран [31]. Путем оценки TEER данная система была валидирована авторами в качестве модели внутреннего и наружного гематоретинального барьера [5].

Системы «орган-на-чипе» также позволяют моделировать такое заболевание сетчатки, как глаукома, причем с учетом важной стороны его патогенеза — патологически повышенного внутриглазного давления [15]. В статье J. Wu и соавт. (2019) описана система, позволяющая устанавливать и поддерживать заданное гидростатическое давление в шести камерах из PDMS, содержащих первичные культуры ганглиозных клеток сетчатки. Уже на 3-и сутки культивирования ганглиозные клетки, находящиеся в камерах с разным давлением, демонстрируют серьезные различия в длине и структуре отростков: нахождение в камере с гидростатическим давлением выше 25 мм рт. ст. приводит к уменьшению длины аксонов и снижению ветвления дендритов. Таким образом, вышеописанная система является достаточно удобной платформой для изучения роли гидростатического давления в развитии дегенеративных процессов в сетчатке при глаукоме и потенциально может служить моделью для скрининга нейропротекторов для замедления гибели ганглиозных клеток при данном заболевании [15, 32].

Заключение

Технология «орган-на-чипе», позволяющая с высокой степенью точности моделировать в заданных контролируемых условиях различные физиологические и патологические процессы, имеет большой потенциал в сфере экспериментальной офтальмологии и доклинических испытаний новых офтальмологических препаратов. Культивирование тканей глазного яблока и его вспомогательного аппарата в микрофлюидных системах позволяет выявлять токсическое воздействие и фармакологическую активность новых соединений и обеспечивает возможность более глубокого понимания нормальной физиологии органа зрения и патогенеза его заболеваний. При этом технология «орган-на-чипе» сокращает финансовые затраты и время, необходимые на проведение экспериментов, а также позволяет решить ряд этических проблем за счет уменьшения количества используемых в эксперименте животных, одновременно позволяя получить более точные модели, чем традиционные методы культивирования клеток и тканей.

Что касается видов моделируемых анатомических структур и их функций, технология «орган-на-чипе» представлена такими наиболее развитыми направлениями, как моделирование роговицы, и в более широком смысле, — передней поверхности глаза вместе с его вспомогательным аппаратом, вплоть до век. В рамках данного направления «роговица-на-чипе» и «моргающий глаз-на-чипе» используются чаще всего для моделирования синдрома сухого глаза и отработки технологий его лечения. Другое направление — моделирование сетчатки, в особенности гематоретинальных барьеров. Данная группа моделей широко используется для моделирования таких патологий сетчатки, как возрастная макулярная дегенерация, диабетический макулярный отек, диабетическая ретинопатия, глаукома, и испытаний методик, направленных на профилактику и терапию этих заболеваний.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо со ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail



Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.