Орган-на-чипе. Учёные в Петербурге пытаются создать искусственное сердце

Учёные ИТМО совместно с Сибирским федеральным университетом и Фондом инфраструктурных и образовательных программ представили уникальную разработку – первую в России автоматизированную мобильную мини-лабораторию, предназначенную для проведения экспериментов, связанных с выращиванием клеточных культур, созданием баз данных и разработкой искусственного сердца.

   

   

Новая эра в биоинженерии

Лаборатория имеет форму куба – три метра в длину, ширину и высоту. Конструкция оснащена оборудованием для культивирования клеток, включая ламинарный бокс, термостат, инкубатор, микроскоп, холодильник, водяную баню и центрифугу.

«Идея нашего проекта родилась случайно. Ранее мы не занимались тканевой инженерией сердца, но тестировали полимеры на гемосовместимость и взаимодействие с кровью. Результаты были очень успешными, и мы решили развивать это направление, поскольку восстановление тканей сердца – одна из самых сложных задач в тканевой инженерии», – поделилась руководитель проекта Екатерина Шишацкая.

Одной из ключевых особенностей мини-лаборатории является её мобильность. Куб можно разместить в любом помещении. Прозрачные стены и камеры, транслирующие эксперименты в реальном времени, делают его идеальным инструментом для образовательных целей.

«Эту лабораторию можно использовать для демонстрации экспериментов в школах и вузах, что позволит школьникам и студентам увидеть процесс исследования вживую», – рассказали разработчики.

В мобильной лаборатории учёные могут культивировать клетки, а также проводить эксперименты по программированию поведения клеток и микроорганизмов. Это позволяет исследовать, как клетки взаимодействуют с различными биополимерными материалами, что открывает новые возможности для медицины. Например, для разработки кардиоимплантатов.

«Сейчас главный вызов для нас – это создание материала для сердечно-сосудистой системы, который мог бы служить каркасом для органов. Нам необходимо культивировать клетки до получения тканеинженерного аналога. Мобильная лаборатория даёт нам гибкость, поскольку не привязывает к одному месту: мы можем собирать данные в любом месте и затем использовать их для вычислений и дальнейшего моделирования. Кроме того, у нас большой опыт создания гибридных материалов с заданными свойствами», – рассказала Е. Шишацкая.

   

   

«Я невежда». Как семинарист Иван Павлов стал Нобелевским лауреатом Подробнее

Полный контроль и автоматизация

Ещё одной важной особенностью лаборатории является автоматизация процессов. В лаборатории установлена роботизированная рука, которая заменяет лаборанта и может выполнять часть операций. Сейчас она работает совместно с человеком, который приносит необходимые растворы и расходные материалы, а также анализирует результаты экспериментов. В будущем учёные планируют полностью автоматизировать этот процесс: информация будет поступать в базу данных, а искусственный интеллект сможет анализировать результаты и принимать решения.

«Роль автоматизации в химических процессах – снизить влияние человеческого фактора на процесс проведения эксперимента. В клеточных и бактериальных исследованиях учёные работают зачастую с дорогостоящими компонентами, которые могут прийти в негодность от контакта с внешней средой. Контролировать состояние окружающей среды внутри закрытой автоматизированной лаборатории намного проще, чем при выполнении процесса лаборантами.

«Основным процессом, подлежащим автоматизации, является методика выращивания и исследования клеток кардиомиоцитов, что впоследствии будет способствовать исследованиям по созданию искусственного сердца», – объяснил преподаватель НОЦ инфохимии ИТМО Алексей Мешков.

Горизонты в науке

Одним из ключевых направлений работы лаборатории станет разработка технологии «орган-на-чипе» – устройств, имитирующих функции тканей и органов в миниатюре.

«Концепция органа-на-чипе представляет значительный интерес. Она позволяет минимизировать исследования на животных и моделировать поведение клеток и тканей в условиях in vitro. Это важно для медицины, так как позволяет изучать поведение клеток на различных материалах и имплантатах, предсказывая их взаимодействие и дальнейшее поведение. Использование цифровых двойников и лабораторий на чипе открывает возможность для проведения большого количества экспериментов до перехода к тестам на животных и человеке», – отметила директор, профессор НОЦ Инфохимии ИТМО Екатерина Скорб.

В ближайшем будущем лаборатория также научится передавать данные дистанционно. С помощью микроскопов и камер, оснащённых машинным зрением, учёные смогут наблюдать за ростом клеток удалённо и формировать базы данных, которые будут полезны для исследований в области клеточной биологии, материаловедения и медицины.

«Что касается перспектив, то базовая технология анализа сложных систем имеет потенциал также в косметологии и бытовой химии. Одна и та же технология может быть применена для работы с цифровыми двойниками в сложных химических системах. Программирование поведения клеток открывает новые горизонты в науке. Например, мы можем локально доставлять вещества, такие, как гормоны, чтобы интегрировать стволовые клетки в различные типы тканей», – заключила профессор.

Проект реализован на средства гранта Санкт-Петербурга.

Отец технологичного мира. Важные открытия Жореса Алфёрова Подробнее