Респираторные инфекции вроде COVID-19 не раз становились причиной пандемий и ложились тяжелым грузом на систему здравоохранения. Подобные вирусы наносят серьезный урон нашим легким, поражая как верхние дыхательные пути, так и самые глубинные их отделы — альвеолы, где происходит газообмен.

Реакция разных частей легкого на инфекцию сложна и неодинакова. Традиционные модели — эксперименты на животных или простые клеточные культуры — с трудом справляются с ее точным воспроизведением.

Группа исследователей из Университета Киото предложила решение: они создали микрофизиологическую систему, своеобразный «чип», который умеет имитировать разные участки человеческого легкого. Их устройство может симулировать и верхние дыхательные пути, и альвеолы, чтобы изучать механизмы вирусных заболеваний. А в сочетании с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (иПСК) технология открывает путь к персонализированному и более точному лечению болезней органов дыхания.

Результаты опубликованы в издании Nature Biomedical Engineering.

Наши легочные чипы на основе иПСК позволяют смоделировать, как по-разному реагируют на респираторную инфекцию proximal и distal отделы легкого, причем клетки для них получены из одного генетического источника, — объясняет ведущий автор работы Сачин Ядав, аспирант Университета Киото.

Исследование японских ученых предлагает более точную платформу для:

• изучения механизмов болезней, зависящих от конкретной ткани и вируса;
• проверки эффективности лекарственных препаратов.

Их подход также может стать серьезным подспорьем в борьбе с будущими пандемиями.

Полученные знания помогут создать модели других человеческих органов и целых мультиорганных систем, чтобы изучать их взаимодействие, — отмечает руководитель группы Рюдзи Йококава.

Возможность точно воспроизвести вариации в реакции организма на разные вирусы и в разных отделах легкого может кардинально улучшить наше понимание новых вирусов и ускорить ранний скрининг лекарств, — говорит старший исследователь Такеши Нода.

Интеграция иПСК в нашу микрофизиологическую систему дает неоспоримые преимущества, — добавляет другой старший член команды, Шимпей Гото. — Эти клетки позволяют создавать изогенные модели и двигаться в сторону персонализированной медицины.

Эта чип-система потенциально полезна не только для изучения вирусных инфекций. Она может усилить персонализированную медицину, позволяя использовать иПСК конкретного пациента для исследования и других заболеваний.

Реальная польза этого исследования многогранна

• Во-первых, это колоссальный шаг в фармакологии. Лекарства можно будет тестировать не на усредненной модели, а на миниатюрной копии легкого конкретного человека, предсказывая индивидуальные побочные эффекты и эффективность. Это сэкономит миллиарды долларов на неудачных клинических испытаниях и ускорит появление новых препаратов.
• Во-вторых, это борьба с пандемиями. Когда появится следующий неизвестный патоген, ученые смогут в считанные дни «подсадить» его на такие чипы и быстро понять, какие части легких он поражает и какие из существующих лекарств могут сработать. Это даст критическое преимущество во времени.
• В-третьих, это фундаментальная наука. Мы, наконец, сможем детально, в реальном времени и на человеческой ткани (а не на клетках мыши) изучать, как именно вирусы разрушают легкие и как наш организм им сопротивляется. Это откроет новые мишени для терапии.

Основное критическое замечание лежит в плоскости перехода от модели к реальному человеку. Микрочип, сколь бы сложным он ни был, все же упрощенная система. Он не полностью воспроизводит всю сложность легочной ткани: работу иммунной системы (включая миграцию иммунных клеток), механическое воздействие дыхания в полном объеме, влияние других органов через кровоток (например, гормональный фон). Пока это скорее высокоточный инструмент для изучения изолированных процессов, но не целостный аналог легкого. Потребуются годы валидации, чтобы доказать, что данные, полученные на чипе, на 100% релевантны для клинической практики.

Ранее ученые выяснили, как стареют легкие.