Высокие технологии

Как они улучшают качество жизни и общественное здоровье

При создании и тестировании своих бездымных продуктов ученые научно-исследовательского центра компании «Филип Моррис Интернэшнл» (ФМИ) используют самые современные технологии, проводят исследования в различных сферах современной науки. Эти исследования выходят далеко за рамки воздействия инновационных продуктов ФМИ на человеческий организм — они влияют на развитие науки в целом.

Искусственное легкое вместо подопытного кролика

Клинические испытания на животных в научно-исследовательском центре ФМИ проводятся в соответствии с принципами биоэтической концепции обращения с лабораторными животными, так называемыми «методами 3R». Название «3R» расшифровывается как «Replacement, Reduction, Refinement», то есть «замещение, сокращение, совершенствование». Имеются в виду замена животных в опыте неживыми моделями, сокращение числа животных, используемых в эксперименте, и усовершенствование методик, используемых при работе с животными.

Исследователи, которым для работы требуется проведение экспериментов на лабораторных животных, в первую очередь люди. Еще в середине прошлого века после выхода в свет книги У. Рассела и Р. Берча The Principles of Humane Experimental Technique научное сообщество приняло принципы «3R». Реализация этой концепции невозможна без использования сверхсовременных технологий. Органотипические культуры, органы-на-чипе и методы компьютерного моделирования успешно заменяют лабораторных мышей.

Первый и самый важный принцип — отказаться от использования животных в опытах, когда это возможно, использовав альтернативные методы исследования. К ним относят: методики in vitro, в которых используют органы, ткани и клетки (живые системы); физические и механические системы и химические технологии (неживые системы); компьютерное моделирование.

Культуры клеток тканей (in vitro) с успехом используются для определения токсичности химических соединений в доклинических исследованиях. Ученые ФМИ разработали серию гуманизированных моделей in vitro, которые позволяют решить проблему переноса и интерпретации данных, полученных от экспериментов с разными видами.

Эти модели представляют собой первичные клетки человека, культивируемые в двух (2D) или трех (3D) измерениях. Они подвергаются воздействию отдельных тестируемых компонентов (для 2D-культур) или целых аэрозолей (для 3D-культур).

Системные подходы к оценке токсикологического риска, математические модели биологических сетей и изменения экспрессии генов, молекулярные изменения, возникающие после различных условий воздействия, анализируются и интегрируются с другими биологическими конечными точками. Измеренные биологические изменения также определяются количественно, что позволяет проводить прямое сравнение воздействия, вызванного воздействием сигаретного дыма или аэрозолями продуктов с пониженным воздействием.

У двухмерных культур клеток есть недостатки. Культуральная среда не допускает прямого воздействия сложных аэрозолей. Кроме того, двухмерная культура в чашке Петри очень сильно отличается от реального человека. Клетки человеческого организма формируют сложные трехмерные структуры, выполняющие разные функции и взаимодействующие друг с другом.

Более сложные, более совершенные и более приближенные к физиологическим живые системы — 3D-модели и органы-на-чипе. Например, разработанная в «Кубе» 3D-модель дыхательных путей.

А вместо сердца — сердце-на-чипе

Орган-на-чипе (англ. Organ-on-a-chip) — многоканальный трехмерный микрофлюидный чип, устройство, симулирующее работу какого-то органа человеческого организма. Размещение нескольких органов на одном чипе позволяет изучать их совместную работу и влияние друг на друга.

Органы-на-чипе используются для доклинических исследований новых лекарственных средств, заменяя тестирование на животных. Таким путем решаются не только этические проблемы. Лекарство, успешно проверенное на лабораторных мышах, может оказаться бесполезным для людей — из-за различий в устройстве организма. К тому же тестирование на органах-на-чипе обходится дешевле, а сроки доклинических испытаний сокращаются.

В январе 2020 года был успешно завершен длившийся восемь лет проект «организм-на-чипе» (body-on-a-chip). Ученые из Института биоинженерии Висса Гарвардского университета объединили в единую автоматическую систему 10 органов-на-чипе.

Разрабатываемые в научно-исследовательском центре ФМИ бездымные продукты пониженного воздействия проходят те же стадии тестирования, что и новые медикаменты. Поэтому передовая биотехнология органов-на-чипе широко применяется и в лабораториях «Куба».

Среди них: легкое-на-чипе, почка-на-чипе, иммунокомпетентная 3D перфузируемая система кишечника как орган-на-чипе.

При изучении атерогенеза (процесса атеросклеротического поражения) традиционно проводились эксперименты на грызунах. В соответствии с принципом 3R лабораторным животным нашли замену — созданную на микрофлюидном чипе модель кровеносного микрососуда. Среди разработок ученых «Куба» также есть мультиорганные системы, объединяющие на одном чипе несколько органов — легкие и печень, совместная культура бронхов и сфероидов клеток печени.

О достижениях ученых ФМИ в области создания органов-на-чипе можно прочесть в вышедшей в свет в 2019 году книге Джулии Хенг, Дэвида Боварда и Мануэля Пайтча Organ-on-a-chip. Engineered Microenvironments for Safety and Efficacy Testing.

На службе системной токсикологии

Значительная часть проводимых в «Кубе» исследований связана с системной токсикологией. В ней применяются принципы и методы системной биологии, в том числе используется такой инструмент всестороннего анализа процессов, происходящих в биологической системе, как омиксные технологии. Омиксными называют технологии, основанные на достижениях геномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики.

Эти науки изучают устройство генома, генов и происходящих в них процессов, структур ДНК, РНК, белков и их комплексов, метаболических комплексов живых клеток.

Системная токсикология в значительной степени опирается на интеграцию различных модальностей данных, полученных in vitro, in vivo и in silico (в компьютерных моделях), которые позволяют оценить изменения, происходящие на разных биологических уровнях.

Для работ в сфере системной токсикологии требуются сложная передовая технологическая инфраструктура и современное научное оборудование.

В отличие от генетики, занимающейся отдельными генами или наборами генов, вовлеченных в конкретный биологический процесс, геномика направлена на анализ структуры генома как единого целого и занимается изучением всей совокупности происходящих процессов и обеспечивающих их механизмов. Геномика как отдельное направление тесно связана с развитием технологии секвенирования ДНК и РНК с биоинформатическим анализом структуры и функции полного набора молекул нуклеиновых кислот. Протеомика, в свою очередь, изучает не гены, а белки: их аминокислотную последовательность, пространственную структуру, а также посттрансляционные модификации. Технологическая платформа для токсикопротеомики, существующая при объединении методов протеомики и масс-спектрометрии, имеет ряд преимуществ, таких как высокая чувствительность, скорость проведения анализа и возможность создавать высокопроизводительные наборы данных.