«Легкие-на-чипе» научили курению в затяг

ХОБЛ — заболевание, при котором из-за хронического воспаления бронхов в дыхательных путях ограничивается воздушный поток. Это приводит к дисфункции ресничек, выводящих из легких слизь, эмфиземе (чрезмерному перерастяжению альвеол), системным нарушениям, связанным с сердечно-сосудистой системой и скелетной мускулатурой. Фактором риска этого заболевания считается курение, поэтому изучение воздействия табачного дыма и водяного пара электронных сигарет на эпителий легких важно для понимания механизмов его развития.

При этом проведение таких исследований затруднено из-за индивидуальных особенностей между испытуемыми, а животные не могут служить адекватной моделью курильщика, поскольку дышат носом. В свою очередь существующие устройства с культурами клеток мерцательного эпителия не способны воспроизводить дыхательные движения для доставки дыма в бронхи.

В новой работе ученые сконструировали «легкие-на-чипе», которые воспроизводят полный цикл курения. Устройство состоит из микрофлюидной платформы с пористой мемраной, разделяющей просвет для «дыхания» и микроканал для питательной жидкости, и генератора, имитирующего процесс «затяжки». Мембрана заселяется клетками бронхиального эпителия, после чего программируемый микрореспиратор пропускает через просвет сигаретный дым, выполняя функцию диафрагмы. Геометрия системы устроена так, чтобы воспроизводить работу наиболее мелких бронхов и бронхиол (около 1 миллиметра) — они наиболее подвержены воздействию дыма.

Авторы описывают эксперимент, в котором устройство имитировало стандартизированный режим курения (12 затяжек на одну сигарету по две секунды каждая, 12 вдохов в минуту, перерыв между затяжками — 22 секунды) с клетками здорового человека. Результаты показали, что обработка дымом в 22 раза увеличила в клетках экспрессию антиоксидантного гена HMOX1, что указывало на окислительный стресс. В целом, процесс изменил экспрессию 335 генов и значительно нарушил работу ресничек: под действием дыма уровень несогласованности их колебаний вырос в четыре раза.

Эксперименты с клетками пациентов с ХОБЛ показали, что сигаретный дым существенно повышает выработку воспалительного хемокина интерлейкина-8. Полногеномный анализ выявил в этом случае изменения экспрессии 276 генов, 129 из которых наблюдались в здоровых клетках. Авторы также выделили 10 генов-кандидатов, предположительно, связанных с развитием заболевания (на рисунке).

По мнению ученых, их «легкие-на-чипе» могут служить инструментом исследований в области воздействия сигаретного дыма в норме и патологии. Кроме того, устройство может использоваться для проведения доклинических испытаний препаратов.