• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Новые модели изучения заболеваний: от чашки Петри до органов-на-чипе

Новые модели изучения заболеваний: от чашки Петри до органов-на-чипе

© iStock

Биологи из НИУ ВШЭ совместно с исследователями из НМИЦ АГП им. В.И. Кулакова используют новейшие микрофлюидные технологии для изучения преэклампсии — одного из самых опасных осложнений беременности, которое угрожает жизни и здоровью матери и ребенка. В статье, опубликованной в BioChip Journal, они рассмотрели современные клеточные модели, включая передовые технологии «плацента-на-чипе», позволяющие глубже понять механизмы заболевания и разработать эффективные лекарства.

Традиционный способ тестирования медицинских препаратов — проверка их безопасности и эффективности сначала на животных, а затем на добровольцах. Клинические испытания — процесс длительный, дорогостоящий и строго регламентированный. Но даже при соблюдении всех мер предосторожности порой происходят несчастные случаи.

Один из самых известных произошел в 2006 году в Великобритании во время тестирования препарата TGN1412 для лечения лейкемии и аутоиммунных заболеваний. Согласно протоколу испытаний, двое добровольцев получили плацебо, а шестеро — одну пятисотую дозы лекарства, которую до этого успешно испытали на животных. Уже через час испытуемые почувствовали себя плохо: их мучали приступы удушья, рвота, жар, головная и мышечная боль, они начали терять сознание, а двое добровольцев впали в кому. У них развились тяжелейшие отеки, а один пациент настолько раздулся, что журналисты окрестили его человеком-слоном. К счастью, всех участников эксперимента тогда удалось спасти, но их здоровью был нанесен серьезный ущерб.

Позже выяснилось, что причиной трагедии стало наличие у человека субпопуляции иммунных клеток со специфическими рецепторами, которых нет у животных. Именно они вызвали цитокиновый шторм вместо того, чтобы контролировать иммунный ответ и снимать воспаление. Это было невозможно предположить на этапе клинических испытаний. Однако одну ошибку ученые все же допустили: они ввели препарат сразу всем пациентам, вместо того чтобы вводить его последовательно с интервалом в два часа. В этом случае жертвой трагедии мог бы стать только один испытуемый.

Но даже когда тестирование проходит успешно, в клинических испытаниях есть проблема: чаще всего участниками становятся взрослые без серьезных проблем со здоровьем (кроме основного заболевания). А принимать лекарство в итоге может понадобиться всем: детям, беременным женщинам, людям старшего возраста и пациентам с хроническими заболеваниями. Для разных групп людей необходимы разные дозировки, которые нужно правильно рассчитать. Кроме того, есть индивидуальные реакции организма: аллергии или другие особенности. Даже при низкой вероятности побочных эффектов, например 0,1%, на каждую тысячу человек будет один пострадавший.

Сегодня существует альтернатива испытаниям на животных. Ученые научились создавать модели человеческих органов и даже систем органов на маленькой пластине размером с монетку. Такая технология получила название орган-на-чипе. Визуально легкие, печень или кишечник, которые выращиваются на чипе, совсем не похожи на настоящие. Сам чип изготавливается из пластика, стекла или кремния. В нем создаются микроканалы разной длины и размера, которые разделяют или смешивают потоки жидкостей. Таким образом моделируется среда и процессы, происходящие в тканях и органах человека, например циркуляция крови. Еще одно преимущество подобных моделей — возможность персонализировать лечение, ведь органы на чипе можно создать из клеток пациента. 

Как ученые исследуют заболевания и тестируют препараты

Чашка Петри

Старый, хорошо известный способ культивирования клеток в лаборатории. Клетки формируют монослой на чашке Петри и растут среди себе подобных. Они не взаимодействуют с другими видами клеток. Недостаток этого метода в том, что лабораторная жизнь клеток в чашке Петри лишь отдаленно напоминает реальную среду и не отражает процессы, происходящие в организме. 

Клеточные линии в трехмерном пространстве

Трехмерные клеточные культуры — это компактные скопления клеток, которые, в отличие от обычных «плоских» культур, растут во всех направлениях, формируя объемные структуры. Важнейшим компонентом трехмерных культур является внеклеточный матрикс — трехмерная сеть природных или искусственных молекул, которая обеспечивает механическую поддержку клеток и регулирует их поведение. Преимущество метода — возможность изучать клетки в трехмерной среде, что больше напоминает их жизнь в организме. Однако есть и минусы: таким моделям недостает кровеносных сосудов с потоком крови, иммунных клеток и имитации взаимодействия разных тканей и органов. В результате молекула, «успешная» на клеточной культуре, может не давать нужного эффекта для целого органа и тем более человека.

Испытания на животных

Грызуны, свиньи или другие животные — это целый организм, во многом схожий с человеческим, поэтому они нередко выступают объектом исследований и экспериментов. Но и у этого метода есть недостатки: организм животного все же отличается  от человеческого, и результаты испытаний не всегда показательны (трагедия при тестировании препарата TGN1412 — яркий тому пример). Кроме того, есть этические вопросы. 

Чипы (микрофлюидные технологии)

Технология развивается с 2010-х годов. Орган-на-чипе — трехмерная структура, в которой одновременно проходит несколько процессов, почти как в реальном организме. Чипы позволяют моделировать движение жидкостей (например, крови), а также имитировать физические воздействия (такие, как сердечные сокращения). Кроме того, на чипах можно создать несколько слоев клеток разных типов, а при помощи пористой структуры обеспечить передачу сигналов между ними. В настоящее время на чипах успешно моделируются и изучаются такие органы, как легкие, печень, почки, кишечник, сердце, а также кожа, кости.

Биологи из НИУ ВШЭ совместно с исследователями из НМИЦ АГП им. В.И. Кулакова используют микрофлюидные технологии для изучения преэклампсии. Это опасное осложнение затрагивает около 8% всех беременностей в мире. Преэклампсия  начинает проявляться только на поздних сроках беременности — чаще всего высоким артериальным давлением, белком в моче и нарушениями функции органов. Несмотря на десятилетия исследований, точные причины заболевания остаются не до конца изученными, но ученые полагают, что истоки надо искать на этапе формирования плаценты. 

Когда начинается беременность, эмбрион имплантируется в стенку матки, и формируется плацента. Чтобы ребенок питался стабильно вне зависимости от самочувствия матери, сосуды должны всегда оставаться примерно одного просвета и давать стабильный кровоток. Для этого специальные клетки, которые составляют часть эмбриона — трофобласт, — проникают в толщу стенки матки и находят эти сосуды.

Евгений Князев

«Формально это очень похоже на инвазию опухоли. Особые клетки эмбриона, как метастазы, проникают в ткани матки и покрывают сосуды изнутри. Поскольку эти клетки другого происхождения, чем сосудистые, они не реагируют на изменения, происходящие с мамой», — объясняет первый автор исследования, заведующий Лабораторией молекулярной физиологии факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ Евгений Князев. Если по каким-то причинам это происходит не до конца, сосуды начинают реагировать на различные сигналы, изменяя свой просвет, и плацента выделяет вещества, которые негативно влияют на состояние матери и плода.

Несмотря на долгие годы исследований, не существует универсального метода лечения преэклампсии, а терапия направлена в основном на управление симптомами — снижение артериального давления, поддержание работы органов. Одним из главных препятствий в разработке терапии является сложность изучения патогенеза, то есть механизма развития болезни: плацента — уникальный и временный орган, а эксперименты на беременных невозможны по этическим причинам. Животные модели, в частности грызуны, которые оказались наиболее близки людям, не воспроизводят ключевые особенности человеческой плацентации. Поэтому исследователи обращаются к клеточным моделям.

Технология «плацента-на-чипе» позволяет моделировать кровоток и обмен веществ между матерью и плодом в условиях, близких к реальным. Развитие технологий позволило ученым воспроизводить ключевые процессы заболевания, включая момент формирования плаценты. «Особую ценность представляют модели, которые позволяют имитировать ключевые характеристики преэклампсии — недостаточную инвазию трофобласта, сосудистую дисфункцию, — отмечает Евгений Князев. — Это позволяет нам не только наблюдать патологический процесс, но и искать способы его корректировки».

На первом этапе изучения преэклампсии необходимо создать модель для оценки проницаемости, что важно, например, для подбора лекарств. Это дает возможность понять, можно ли их применять при беременности. Второй этап — создание модели с человеческими клетками, чтобы оценить развитие заболевания и индивидуальные риски. Это особенно важно для женщин с высоким риском осложнений, в том числе при ЭКО или отягощенной наследственности. Такие подходы откроют путь к скринингу потенциальных препаратов, предсказанию течения беременности и индивидуализированным стратегиям вмешательства.

Авторы подчеркивают, что моделирование преэклампсии, а также других заболеваний — не просто академическая задача. Это важный элемент трансляционной медицины, которая стремится как можно быстрее перенести знания из лаборатории в клинику. В будущем чиповые технологии могут быть объединены с анализом больших данных, ИИ и автоматизированными платформами тестирования лекарств.

Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в рамках проекта «Центры превосходства», а также при поддержке Российского научного фонда (грант 24-14-00382).

Вам также может быть интересно:

«Погружение в машинное обучение — 2026»: от фундаментальных исследований до дискуссий о будущем ИИ

23–24 октября в Высшей школе экономики состоялась пятая конференция «Погружение в машинное обучение» (Fall into ML 2026). За пять лет мероприятие выросло из камерной встречи исследователей в масштабную научную площадку, объединяющую ведущих специалистов по машинному обучению, молодых ученых, студентов и представителей технологических компаний. Юбилейный год стал новым этапом развития конференции: в программу вошли дискуссии с участием международных спикеров, обсуждение совместных исследовательских проектов и мини-курсы по актуальным направлениям искусственного интеллекта.

Мир ИИ: «Ответственность за принимаемые решения останется на людях»

В НИУ ВШЭ прошла V конференция «Погружение в машинное обучение». В ходе панельной дискуссии форума «Прорыв в области искусственного интеллекта: каким станет ИИ и кем станем мы?» эксперты поделились прогнозами, как изменятся наука и ИТ-индустрия через 5–10 лет и какие задачи по-прежнему останутся за человеком.

Как прогнозировать будущее науки и технологий

Лаборатория исследований науки и технологий, действующая в структуре Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ, изучает текущее состояние научных исследований и разработок, анализирует тренды и их динамику, что позволяет понимать масштаб вызовов, связанных с применением новейших технологий, определять приоритеты будущих работ, формировать научную и промышленную политику. Новостная служба «Вышка.Главное» побеседовала с заведующей лабораторией Лилианой Проскуряковой и директором Форсайт-центра ИСИЭЗ Александром Соколовым.

Программа ТОП ИТ «ПРО» НИУ ВШЭ: первые результаты и перспективные задачи

Программа топ-уровня в МИЭМ ВШЭ — это трек подготовки кадров для ИТ-отрасли, созданный в партнерстве с ведущими российскими технологическими компаниями на программе высшего образования «Информатика и вычислительная техника». На треке обучаются студенты, прошедшие дополнительный отбор с учетом требований индустрии и способные быстро вырасти до уровней мидл и сеньор. Учебный процесс выстроен вокруг конкретных инженерных ролей.

Будущее антропоморфных технологий для дома обсудили ученые на форсайт-сессии в НИУ ВШЭ

23–24 октября в НИУ ВШЭ прошла юбилейная, пятая конференция «Погружение в машинное обучение» (Fall into ML 2026). На форсайт-сессии «Будущее антропоморфных технологий для дома» ученые искали ответы на вопросы, почему человекоподобный робот-помощник пока так и не стал нашей повседневной реальностью, что для этого должно измениться и кто будет отвечать за его ошибки.

«Надежный мост между лабораторным прототипом и работающим сервисом»

До конца года на факультете компьютерных наук НИУ ВШЭ будет завершена разработка третьей очереди системы SmartMLOps — корпоративной платформы, которая упрощает и ускоряет ввод ИИ-моделей в промышленную эксплуатацию. Работа ведется в рамках стратегического технологического проекта НИУ ВШЭ «Мультиагентная платформа ИИ-решений для отраслевых задач». В чем уникальность новой системы и какие задачи она сможет решать, рассказал начальник отдела прикладных технологических решений Института ИИ и цифровых наук ФКН НИУ ВШЭ Хади Салех.

«Культура — это среда, из которой вырастают долгосрочные решения»

Одной из отличительных особенностей стратегического технологического проекта (СТП) «Национальный центр социально-экономического и научно-технологического прогнозирования» является комплексное изучение изменений культуры и ценностей в ответ на новые вызовы. О роли культурных трансформаций в долгосрочном прогнозировании, появлении новых смыслов и сохранении культурного суверенитета в эпоху ИИ в интервью «Вышке.Главное» рассуждает заместитель директора Института исследований культуры НИУ ВШЭ Александр Сувалко.

Связь будущего: какие технологии 6G разрабатывают в ВШЭ

Связь шестого поколения 6G потребует новых устройств и технологий, и команда разработчиков НИУ ВШЭ трудится над решениями в области микроэлектроники и фотоники в рамках стратегического технологического проекта ВШЭ «Комплекс технологий доверенных систем связи 6G». В 2026 году исследователи создали модели и макеты устройств, проверили их характеристики экспериментально и договорились с индустриальными партнерами о форматах сотрудничества. Как разработки могут выйти за пределы лаборатории, «Вышке.Главное» рассказал координатор проекта, доцент департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ Александр Шураков.

«Наши работы можно назвать исследованиями на переднем крае науки»

Международная лаборатория кластерной геометрии, действующая на факультете математики НИУ ВШЭ, занимается формированием новой научной дисциплины, соединяющей в себе знания из различных областей математики. Выполненные в ней работы вызывают большой интерес, в том числе у зарубежных коллег. Лаборатория изучает семейства кривых и разрабатывает методы, применяемые в исследованиях физического микромира. Новостная служба «Вышка.Главное» побеседовала с заведующим лабораторией профессором Сергеем Ландо.

На Школе ФКН ВШЭ по искусственному интеллекту учителя погрузились в анализ данных и машинное обучение

С 6 по 10 октября факультет компьютерных наук (ФКН) Высшей школы экономики организовал первую Школу по искусственному интеллекту для учителей информатики и математики . Ее участниками стали 72 педагога из разных регионов России. Обучение по трем направлениям проходило в течение пяти дней в университетском учебном центре «Вороново».