Микроструктура модели легкого и демонстрация того, как 3D-биопечать может быть использована для создания моделей дыхательных путей. Кредит: POSTECH
Пандемия COVID-19 глубоко повлияла на нашу жизнь, унеся почти 7,1 миллиона жизней по всему миру. Ученые и медицинские специалисты неустанно работают, чтобы понять вирус, пути его передачи и эффективные методы лечения.
Срочность разработки вакцин и методов лечения никогда не была столь велика, что вызвало призывы к Корее ускорить усилия по разработке лекарств, чтобы соответствовать усилиям развитых стран. Недавно группа корейских исследователей совершила прорыв, который значительно повысит эффективность исследований респираторных заболеваний, привлекая внимание.
Исследовательская группа, состоящая из профессора Сонджуна Джуна и аспиранта Юнджи Ли с кафедры материаловедения и инженерии POSTECH, в сотрудничестве с доктором Михейн Ким и доктором Мён Кю Ли из Центра терапевтических исследований инфекционных заболеваний Корейского научно-исследовательского института химических технологий (KRICT) успешно создала искусственные легкие.
Эти искусственные легкие предназначены для изучения инфекций и тестирования лекарств от респираторных заболеваний, включая COVID-19. Их исследование было опубликовано в журнале Biomaterials.
В среднем разработка нового препарата занимает от 10 до 15 лет и стоит более 1 триллиона вон. Этот длительный и дорогостоящий процесс во многом обусловлен существующими исследовательскими платформами, такими как двумерные клеточные культуры и эксперименты на животных, которые не могут точно воспроизвести среду in vivo. Чтобы сократить время и затраты на разработку и повысить вероятность успеха, необходимы модели, которые максимально точно имитируют человеческое тело.
Структурные изменения в моделях легких в течение 20 дней после заражения коронавирусом. Кредит: POSTECH
В этом исследовании исследователи из POSTECH и KRICT создали «3D-искусственное легкое» с помощью технологии трехмерной (3D) биопечати. Эта передовая технология использует клетки и биоматериалы для производства реалистичных тканей и органов, что снижает необходимость в испытаниях на животных в таких областях, как регенеративная медицина и разработка лекарств.
«Искусственное 3D-легкое», созданное исследователями, состоит из трех слоев — сосудистого эндотелия, внеклеточного матрикса и эпителия — как и дыхательные пути человека. Эта модель очень похожа на структуру и функцию легкого человека, включая межклеточные соединения и секрецию слизи. Она также содержит высокие уровни белков (ACE2, TMPRSS2), которые служат точками входа для вируса COVID-19 в эпителиальном слое, что делает его восприимчивым к инфекции даже при очень низких дозах.
В отличие от обычных моделей 2D-клеточных культур, которые уничтожают клетки в течение пяти дней после заражения, модель исследователей просуществовала 21 день. Эта продолжительность достаточна для наблюдения за вызванными инфекцией поражениями клеток и деградацией барьера, что позволяет команде выявлять изменения в экспрессии генов, влияющие на путь заражения, вирусную пролиферацию и иммунный ответ хозяина, что согласуется с реальными данными пациентов с COVID-19.
Более того, команда идеально воссоздала пути, по которым препараты от COVID-19 (ремдесивир и молнупиравир) достигают инфицированного эпителиального слоя и подавляют репликацию вируса. В отличие от традиционных методов двумерного культивирования клеток, когда препараты вводятся непосредственно в эпителиальные клетки, в этом исследовании оценивалась эффективность препаратов после того, как они пересекают тканевой барьер через искусственную легочную ткань. Такой подход позволил исследователям точно проверить эффективность лечения, определить соответствующие дозировки и выявить потенциальные побочные эффекты.
Оцените ингибирование вируса в модели легкого путем введения двух противовирусных агентов. Кредит: POSTECH
Профессор Юнг заметил: «Ученые предупреждают, что респираторные вирусы, похожие на COVID-19, вероятно, появятся в следующем десятилетии». Он добавил: «Это исследование не только значительно сократит процесс разработки лекарств, но и поможет в разработке терапевтических препаратов для COVID-19 и других респираторных заболеваний».
Доктор Ким из KRICT заявил: «Чтобы подготовиться к такой пандемии, как COVID-19, нам необходимо улучшить системы ранней оценки эффективности с помощью технологии 3D-клеточных и тканевых культур, которая учитывает клиническую значимость. Кроме того, крайне важно продвигать исследования по разработке терапевтических средств для вирусов, заражающих человека, с помощью этой технологии».
Дополнительная информация: Юнджи Ли и др., 3D-печатная модель дыхательных путей как платформа для тестирования инфекции SARS-CoV-2 и противовирусных препаратов, Биоматериалы (2024). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2024.122689
Информация о журнале: Биоматериалы Предоставлено Пхоханским университетом науки и технологий
