Насколько человечны наши модели?

Jun 07, 2023

Nature Reviews Bioengineering, том 1, стр. 537 (2023 г.) Процитировать эту статью

576 Доступов

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Человеческие модели in vitro, такие как органоиды и органы на чипах, могут потенциально заменить некоторые модели на животных в доклинических исследованиях. Но сколько «человечного» нужно в этих моделях?

Животные модели не только регулярно используются в биомедицинских исследованиях для изучения фундаментальных механизмов, но также лежат в основе многих протоколов доклинических испытаний лекарств, медицинских устройств или методов восстановления тканей и заместительной терапии. Однако, учитывая большое количество лекарств, которые не прошли клинические испытания, несмотря на прохождение доклинических испытаний на животных, актуальность моделей на мелких животных в доклинических исследованиях ставится под сомнение. Несмотря на этические проблемы эксплуатации сотен тысяч животных, иногда созданных с использованием сомнительных моделей заболеваний, которые плохо напоминают человеческие условия (хотя статистическая мощность во многих исследованиях на животных остается низкой — но это уже другая история).

Итак, каковы альтернативы? Правда в том, что долгое время не было реальной альтернативы моделям животных. 2D-культура клеток, в частности клеток, полученных от пациента, может дать базовое представление о клеточных реакциях на лечение или определенные состояния; однако реакции клеток сильно различаются между 2D-моделями и 3D-динамическими тканями живого организма. Более того, взаимодействие между множеством различных типов клеток в нашем организме и их микроокружением невозможно воспроизвести в чашке Петри. Таким образом, очевидный путь — перейти к 3D и привлечь больше игроков — и именно здесь на помощь приходит биоинженерия.

В настоящее время разрабатываются разнообразные биоинженерные модели заболеваний человека с высокой клинической мимикрией, включая органоиды, микрофизиологические системы, органы на чипах и 3D-печатные платформы, которые можно даже комбинировать для имитации взаимодействия нескольких тканей. Важно отметить, что они позволяют считывать данные и отображать их в режиме реального времени, что остается сложной задачей в моделях на животных. Кроме того, все больше внимания уделяется многим первоначальным ограничениям этих платформ, таким как отсутствие васкуляризации и участия иммунной системы.

В настоящее время коммерчески доступны различные платформы «орган-на-чипе», обеспечивающие значительный уровень надежности и удобства использования. Однако таким моделям может не хватать сложности, необходимой для их использования в качестве платформы прогнозирования. Напротив, самодельные системы могут быть менее надежными и стандартизированными, но позволяют разрабатывать индивидуальные сложные модели, необходимые для моделирования заболеваний человека. Например, можно разработать модели для различных патофизиологических процессов данного органа, таких как легочный фиброз1 и отек легких2.

Как пишут в этом выпуске Сара Хедтрич и ее коллеги, обнадеживает то, что в нескольких клинических исследованиях изучаются органоиды рака, полученные от пациентов, для принятия решений о лечении, а модели in vitro, актуальные для человека, находят свое применение в доклиническом скрининге лекарств3. Кроме того, недавний Закон о модернизации 2.0 FDA, который расширил сферу применения клеточных моделей в доклинических испытаниях, может еще больше ускорить разработку и адаптацию таких моделей.

Однако (пока) не существует модели in vitro, которая могла бы заменить всего человека, и может быть сложно попросить исследователя, работающего над конкретным заболеванием, сначала разработать соответствующий органоид или орган на чипе. Однако можно утверждать, что разработка модели на животных, специфичной для конкретного заболевания (и обучение тому, как с ней работать), может занять примерно то же время, что и модель того же заболевания in vitro, актуальная для человека.

Опрос среди ученых4, которые не используют платформы «орган-на-чипе», показал, что отсутствие готовых к использованию систем и производственных мощностей, а также высокие входные барьеры и затраты являются основными причинами отказа от использования этих платформ. Более того, учитывая сложность некоторых из наиболее многообещающих новых биоинженерных методов лечения, таких как иммунотерапия, вакцины на основе наноматериалов и интерфейсы мозг-машина, модели на животных на данный момент могут оказаться незаменимыми, например, для исследования сложных мультиорганных процессов. адаптивные иммунные реакции или неврологические механизмы.