Учёные из Рочестерского университета разработали передовые микрочиповые системы, содержащие человеческие ткани. Это технологическое достижение предоставляет исследователям беспрецедентную возможность подробно изучать работу человеческого мозга как в нормальных, здоровых условиях, так и при патологических изменениях — таких как острые воспаления, инфекции или хронические нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера).
Основная цель этой технологии — заменить эксперименты на животных и обеспечить максимальную точность результатов, применимых к человеческому организму. Под руководством профессора Джеймса Макграта эта инновационная модель, имитирующая взаимодействие различных типов человеческих тканей, играет ключевую роль в понимании работы гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) — важнейшей защитной границы мозга. Поскольку повреждение этого барьера является отправной точкой для множества неврологических нарушений, его изучение в контролируемой и реалистичной среде имеет решающее значение для разработки новых терапевтических подходов.
Medscriptum провёл эксклюзивное интервью с одним из ведущих исследователей этого научного достижения — профессором Джеймсом Макгратом, который представил глубокий взгляд на инновацию, разработанную в Рочестерском университете.
Профессор Джеймс Макграт, имеющий обширный опыт работы в MIT и Гарварде, в настоящее время является ведущим специалистом факультета биомедицинской инженерии Рочестерского университета, где возглавляет группу по исследованию наномембран (Nanomembrane Research Group, NRG). Его команда создаёт микрочиповые системы на основе ультратонких кремниевых наномембран, содержащих ткани человеческого мозга.
Профессор Макграт подробно рассказывает, как эта технология обеспечивает беспрецедентную точность при изучении патологий, таких как болезнь Альцгеймера или цитокиновый шторм. Узнайте, как это открытие меняет традиционные методы исследований и почему изучение гематоэнцефалического барьера и перицитов имеет решающее значение.
Интервью с профессором Джеймсом Макгратом
Ваша команда создала микрочипы, содержащие человеческие ткани, которые воспроизводят модель гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Что подтолкнуло вас к этому подходу и чем эта инновация превосходит традиционные модели на животных?
Мы уже долгое время занимаемся моделированием человеческого гематоэнцефалического барьера. Толчком стали наблюдения клиницистов, лечащих пациентов с сепсисом, которые показали, насколько разрушительным может быть этот синдром — даже для тех, кто выживает, но впоследствии страдает от стойкого когнитивного снижения.
Несмотря на десятилетия исследований на грызунах, до сих пор не существует одобренных препаратов от сепсиса — главным образом потому, что иммунные системы человека и грызунов радикально различаются. Используя наши микрочипы, содержащие человеческие клетки, включая иммунные, мы можем выявлять механизмы повреждения мозга и нарушения барьера, которые невозможно изучить на животных моделях. Наш подход объединяет инженерные методы и человеческую иммунологию, предлагая более точную методологию исследования заболеваний.
Недавние исследования показали, что цитокиновый шторм может повредить ГЭБ. Можете ли вы описать, что происходит во время этих мощных иммунных реакций и как ваши чипы помогают выявить процессы, приводящие к повреждению мозга?
Во время цитокинового шторма массивные сигналы иммунной системы, исходящие из периферии, активируют эндотелиальные клетки мозга — те, что формируют стенки сосудов ГЭБ. Эта гиперактивация делает барьер проницаемым и привлекает циркулирующие иммунные клетки, которые проникают в мозг, усиливая воспаление и в конечном итоге вызывая повреждение нейронов. Наш микрочип позволяет визуально наблюдать и количественно измерять эти процессы в реальном времени, раскрывая пошаговый переход от системного воспаления к нейроваскулярным повреждениям — процесс, который ранее было крайне сложно детально изучать на животных моделях.
Ваши исследования подчеркивают важную роль перицитов и микроглии в поддержании здоровья мозга. Как эти клетки действуют для сохранения или восстановления функции барьера, и какие новые знания дала ваша технология об этих взаимодействиях?
Перициты всё чаще признаются ключевыми стабилизаторами гематоэнцефалического барьера, однако их точный вклад долгое время оставался неясным. Они сами не формируют барьер, но обеспечивают критическую механическую и биохимическую поддержку эндотелиального слоя. Используя микрочипы, мы намеренно повреждали субстраты и показали: (1) барьер становился проницаемым при отсутствии перицитов, и (2) перициты могли восстанавливать барьер до «здорового» состояния, укрепляя эти повреждённые участки. Это стало первым прямым доказательством того, что перициты оказывают физическое стабилизирующее влияние на барьер.
Одновременно мы начали исследовать, как микроглия — резидентные иммунные клетки мозга — реагируют на разрушение барьера и регулируют процесс восстановления, отмечая скоординированный клеточный диалог, защищающий нейроваскулярную систему.
В будущем вы планируете использовать эти микрочипы для тестирования лекарств и персонализированной медицины. Как эта технология поможет оценивать риски для пациентов перед крупными хирургическими операциями или химиотерапией и разрабатывать способы их снижения?
Сейчас мы создаём изогенные модели ГЭБ и нейроваскулярного блока, где все типы клеток происходят от одного донора. Эти генетически согласованные системы могут моделировать индивидуальные реакции на такие события, как иммунотерапия или крупные хирургические вмешательства, несущие риск повреждения мозга.
В клинических испытаниях подобные микрочипы могут использоваться для подбора доз лекарств, выявления пациентов с повышенным риском или исключения тех, кто наиболее подвержен нейротоксичности. Мы также исследуем реакции на цитокины, подвергая микрочипы воздействию образцов крови разных людей, создавая полностью персонализированную модель воспалительно-индуцированного повреждения. В сочетании с панелями от множества доноров эти микрочипы станут мощным инструментом для открытия и оптимизации нейропротекторных средств.
И наконец, каково, по вашему мнению, долгосрочное значение этой работы? Могут ли микрочипы с человеческими тканями изменить подход к изучению и разработке терапии нейродегенеративных заболеваний тем образом, который ранее был невозможен?
Нейродегенерация возникает вследствие взаимодействия генетических факторов, старения и влияния внешней среды. Хотя эти факторы определяют исходное состояние здоровья мозга, эпизоды системного воспаления могут ускорить деградацию, вызывая разрушение гематоэнцефалического барьера и вторичные повреждения.
Выделяя те участки мозга, которые устойчивы к воспалительным атакам, от тех, что уязвимы, мы стремимся выявить эффективные терапевтические мишени и разработать стратегии, сохраняющие эту устойчивость. В конечном итоге я надеюсь, что эта технология поможет большему числу людей сохранить когнитивное здоровье в пожилом возрасте, полностью изменив подход к изучению, профилактике и лечению нейродегенеративных заболеваний.
