Учёные вырастили мини-лёгкие человека для тестирования безопасности наноматериалов

Мини-лёгкие человека, выращенные учёными Манчестерского университета, могут имитировать реакцию животных при воздействии определённых наноматериалов. Исследование опубликовано в Nano Today.

Хотя ожидается, что органоиды человека не заменят полностью модели на животных, они могут вскоре привести к значительному сокращению числа подопытных животных, утверждает команда под руководством клеточного биолога и нанотоксиколога доктора Сандры Вранич.

Выращенные в чашке из стволовых клеток человека, лёгочные органоиды — это многоклеточные трёхмерные структуры, воссоздающие ключевые особенности человеческих тканей, такие как клеточная сложность и архитектура. Их всё чаще используют для лучшего понимания различных лёгочных заболеваний, от муковисцидоза до рака лёгких, а также инфекционных заболеваний, включая SARS-CoV-2.

Однако их способность воспроизводить реакцию тканей на воздействие наноматериалов до сих пор не была продемонстрирована. Чтобы подвергнуть органоидную модель воздействию углеродных наноматериалов, доктор Рахаф Исса, ведущий учёный в группе доктора Вранич, разработала метод точного дозирования и микроинъекции наноматериалов в просвет органоида. Это моделировало реальное воздействие на апикальный лёгочный эпителий — самый внешний слой клеток, выстилающих дыхательные пути в лёгких.

Существующие данные исследований на животных показали, что длинные и жёсткие многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT) могут вызывать неблагоприятные эффекты в лёгких, приводя к стойкому воспалению и фиброзу — серьёзному типу необратимого рубцевания лёгочной ткани.

Используя те же биологические конечные точки, органоиды лёгких человека команды показали аналогичный биологический ответ, что подтверждает их пригодность в качестве инструментов для прогнозирования реакций, вызванных наноматериалами, в лёгочной ткани. Органоиды человека позволили лучше понять взаимодействие наноматериалов с моделью ткани на клеточном уровне.

Оксид графена (GO), плоская, тонкая и гибкая форма углеродного наноматериала, был обнаружен временно запертым в веществе, вырабатываемом дыхательной системой, — секреторном муцине. В отличие от этого, MWCNT вызывали более стойкое взаимодействие с альвеолярными клетками, с более ограниченной секрецией муцина, что приводило к росту фиброзной ткани.

В рамках дальнейшего развития доктора Исса и Вранич из Центра нанотехнологий в медицине университета сейчас разрабатывают и изучают прорывной органоид лёгкого человека, который также содержит интегрированный иммунный клеточный компонент.

Доктор Вранич заявила: «При дальнейшей валидации, пролонгированном воздействии и включении иммунного компонента органоиды лёгких человека могут значительно сократить потребность в животных для исследований в нанотоксикологии».

Принципы 3R (замена, сокращение, усовершенствование), разработанные для поощрения гуманных исследований на животных, теперь закреплены в законодательстве Великобритании и многих других стран.

«Общественное мнение неизменно показывает, что поддержка исследований на животных обусловлена практическим применением принципов 3R».

Профессор Костас Костарелос, заведующий кафедрой наномедицины университета, сказал: «Текущее «2D-тестирование» наноматериалов с использованием двумерных моделей клеточных культур даёт некоторое понимание клеточных эффектов, но они настолько упрощены, что могут лишь частично изобразить сложный способ взаимодействия клеток друг с другом. Это определённо не отражает сложность лёгочного эпителия человека и может искажать токсический потенциал наноматериалов, в лучшую или худшую сторону».

«Хотя животные всё ещё будут нужны в исследованиях в обозримом будущем, «3D»-органоиды, тем не менее, являются захватывающей перспективой в нашей области исследований и в исследованиях в целом как человеческий эквивалент и альтернатива животным».