Human Lung Chip применили для создания модели повреждения легких из-за облучения

Легкие — одна из тканей, наиболее чувствительных к радиации в организме человека. У людей, подвергшихся воздействию высоких доз радиации после ядерных инцидентов, развивается радиационно-индуцированное повреждение легких, RILI.

Оно влияет на функции многих типов клеток в легких, вызывая острое и длительное воспаление, а в долгосрочной перспективе — уплотнение и рубцевание легочной ткани, называемое фиброзом.

RILI также является распространенным побочным эффектом лучевой терапии, назначаемой онкологическим больным для уничтожения злокачественных клеток в их организме, и может ограничивать максимальную дозу облучения, которую врачи могут использовать для борьбы с опухолями, а также резко ухудшать качество жизни пациентов.

Противовоспалительные препараты, назначаемые пациентам во время лучевой терапии, могут ослабить воспаление в легких, называемое пневмонитом, однако не все пациенты одинаково хорошо на него реагируют. Это объясняется тем, что RILI — сложное заболевание, которое у разных пациентов протекает по-разному и зависит от факторов риска, таких как возраст, состояние рака легких, другие предшествующие заболевания легких, а также, вероятно, от генетической принадлежности пациента. В случае ядерных аварий, которые обычно связаны с однократным воздействием гораздо больших доз радиации, пока не существует медицинских контрмер, которые могли бы предотвратить и защитить от поражения легкие и другие органы, что делает эту проблему одним из ключевых приоритетов Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA).

Серьезным препятствием для более глубокого понимания патологических процессов, вызываемых радиацией в легких и других органах, что является основой для разработки медицинских контрмер, является отсутствие экспериментальных модельных систем, воспроизводящих то, как именно происходит повреждение у человека. Доклинические модели на мелких животных не воспроизводят основные признаки патофизиологии человека и не имитируют дозовую чувствительность, наблюдаемую у человека. И хотя модели нечеловеческих приматов считаются золотым стандартом для изучения радиационной травмы, они дефицитны, дорогостоящи и вызывают серьезные этические проблемы; кроме того, они не являются человеческими и иногда не могут предсказать реакцию, наблюдаемую при внедрении препаратов в клинику.

Теперь междисциплинарная исследовательская группа из Института биологической инженерии Wyss при Гарвардском университете и Бостонской детской больницы под руководством директора-основателя Wyss Дональда Ингбера, доктора медицины, кандидата наук, в рамках проекта, финансируемого FDA, разработала модель человека in vitro, которая в точности имитирует сложность RILI и чувствительность человеческого легкого к дозе радиации. Альвеолы легких — это маленькие воздушные мешочки, в которых происходит обмен кислородом и CO2 между легкими и кровью, и основной очаг радиационного пневмонита. Используя разработанную ранее микрофлюидную микросхему альвеол легких человека, выстланную альвеолярными эпителиальными клетками легких и соединенную с капиллярными клетками легких для воссоздания интерфейса альвеола-капилляр in vitro, исследователи воспроизвели многие отличительные признаки RILI, включая радиационно-индуцированное повреждение ДНК в легочной ткани, клеточно-специфические изменения экспрессии генов, воспаление и повреждение как эпителиальных клеток легких, так и эндотелиальных клеток, выстилающих кровеносные сосуды. Оценив также потенциал двух лекарственных препаратов для подавления эффектов острого RILI, исследователи продемонстрировали возможности своей модели как передовой доклинической платформы для поиска лекарственных препаратов, учитывающей особенности человека.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Формирование лучшего понимания того, как происходит радиационное повреждение, и поиск новых стратегий его лечения и профилактики представляют собой многогранную задачу, которая в условиях ядерных угроз и реалий существующих методов лечения рака требует совершенно новых решений, — сказал Ингбер.

Модель Lung Chip, разработанная нами для воспроизведения развития RILI, использует наш обширный опыт в области микрофлюидных культур Organ Chip и в сочетании с новыми аналитическими и вычислительными инструментами для поиска лекарств и биомаркеров позволяет нам по-новому взглянуть на эту проблему.

Ингбер также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкман в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице и профессором биоинженерии Хансйорга Уисса в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.

Усовершенствованная человеческая модель RILI in vitro

Чип альвеол легких человека представляет собой 2-канальную микрофлюидную культуральную систему, в которой первичные альвеолярные эпителиальные клетки легких человека культивируются в одном канале, где они подвергаются воздействию воздуха, как это происходит в легком. В параллельном канале они взаимодействуют через пористую мембрану с первичными эндотелиальными клетками капилляров легких человека, которые постоянно перфузируются кровеносной питательной средой, содержащей циркулирующие иммунные клетки человека, которые также могут вносить свой вклад в радиационный ответ. Этот тщательно сконструированный, иммунологически активный альвеолярно-капиллярный интерфейс также испытывает циклические механические движения, имитирующие реальные дыхательные движения. Важно отметить, что этот живой дышащий чип легкого можно подвергнуть временному воздействию клинически значимых доз радиации, а затем исследовать его действие в течение длительного периода времени.

Когда чип легочной альвеолы подвергался воздействию возрастающих доз радиации, реакция на уровне клеток, тканей и органов, смоделированная на чипе, точно соответствовала клиническим наблюдениям и, что очень важно, позволила по-новому взглянуть на RILI. После однократной лучевой терапии в хромосомах клеток наблюдались разрывы с активацией соответствующих механизмов репарации ДНК, количество которых увеличивалось с ростом дозы облучения чипа Lung Alveolus. Параллельно с этим повышался уровень реактивных форм кислорода, которые, как известно, также повреждают ДНК и многие другие типы молекул. Клетки начали увеличиваться в размерах — явление, известное как гипертрофия, которое обычно наблюдается при повреждении альвеол in vivo, барьер, состоящий из плотно упакованных эндотелиальных и эпителиальных клеток, начал разрушаться, и жидкость, протекающая через эндотелиальный канал, накапливалась в эпителиальном канале.

Интересно, что мы картировали уровни нескольких провоспалительных цитокинов в течение семи дней после лучевой терапии, что особенно важно для оценки начинающегося лучевого повреждения легких. Симптомы RILI у пациентов начинают проявляться только через неделю после облучения, но предшествующее воспаление уловить невозможно, — говорит первый автор исследования Куини Дасгупта, доктор философии, которая руководила проектом в качестве постдокторанта в команде Ингбера, а сейчас является научным сотрудником Systemic Bio, компании 3D Systems.

Когда у пациентов проявляется явный RILI, часто бывает слишком поздно спасать пораженную легочную ткань.

Группа исследователей обнаружила, что первые провоспалительные цитокины начинают активизироваться уже через 6 часов после применения высоких доз радиации, и их количество и уровень продолжают расти до седьмого дня, т.е. до конца периода наблюдения. Важно отметить, что эта тенденция была гораздо сильнее выражена в эндотелиальных клетках сосудов, чем в эпителиальных клетках легких. Параллельно с этим клеточное повреждение в Lung Alveolus Chip с течением времени изменялось в эпителиальных клетках, но, напротив, сохранялось в эндотелиальных клетках, что повторяет клинические наблюдения, согласно которым RILI оказывает преимущественное воздействие на сосудистый эндотелий в альвеолах.

От радиационного повреждения к генам и мишеням

Для более систематического понимания клеточных изменений, вызванных радиацией в Lung Chip, и определения потенциальных мишеней для лекарственных препаратов исследователи проанализировали полные программы экспрессии генов эпителиальных и эндотелиальных клеток с течением времени. Это позволило не только уточнить клеточную специфику ранних и поздних стадий воспалительного ответа, но и получить данные о генной экспрессии всего генома, которые были использованы в вычислительном алгоритме на основе машинного обучения под названием «Сетевая модель для выявления причинности» (NeMoCAD). Ранее NeMoCAD позволил команде Ингбера предсказывать терапевтические мишени и перепрофилировать препараты для лечения заболеваний. В результате проведенного анализа был обнаружен ген HMOX1, участвующий в антиоксидантной реакции, экспрессия которого была повышена сразу после облучения и оставалась повышенной в течение всех семи дней исследования.

Мы обнаружили, что дальнейшее повышение уровня HMOX1 с помощью препарата ловастатин в легочной альвеоле уменьшало повреждение ДНК и клеточную гипертрофию в ранние сроки после облучения, аналогично противовоспалительному препарату преднизолон, который мы использовали в качестве положительного контроля. Однако в дальнейшем ловастатин усугублял нарушение эндотелиального барьера. На самом деле, экспериментально подавив экспрессию HMOX1 на более поздних стадиях, мы смогли частично обратить вспять его более поздние негативные эффекты, — пояснил Дасгупта.

Это показало, что функция HMOX1 действительно имеет большое значение для развития RILI, но также позволяет предположить, что таргетирование HMOX1 и, возможно, мишеней, связанных с другими потенциальными процессами, может потребовать более сбалансированного терапевтического подхода.

17.10.2023