Эта схема показывает, как небольшие воздушные лучи легких, называемые альвеолами, в частности альвеолярно-капиллярный интерфейс, который является основным местом радиационно-индуцированного повреждения легких (RILI), моделируется на чипе легочной альвеол. Окрашивание DAPI визуализирует ядра клеток по всей системе культивирования, в то время как ZO-1 и VE-cad являются маркерами клеточных адгезивных комплексов, образующихся между эпителиальными и сосудистыми эндотелиальными клетками, соответственно. Изображение любезно предоставлено Институтом Висс в Гарвардском университете
Легкие являются одной из тканей, наиболее чувствительных к радиации в организме человека. У людей, подвергающихся воздействию высоких доз радиации после ядерных инцидентов, развивается радиационно-индуцированное повреждение легких (РИЛИ), которое влияет на функцию многих типов клеток в легких, вызывая острое и устойчивое воспаление, а в долгосрочной перспективе – утолщение и рубцы легочной ткани, известные как фиброз. RILI также является распространенным побочным эффектом лучевой терапии, проводимой больным раком для уничтожения злокачественных клеток в их телах, и может ограничить максимальную дозу облучения, которую врачи могут использовать для контроля своих опухолей, а также значительно ухудшить качество жизни пациентов.
Противовоспалительные препараты, на которые дают пациентам во время лучевой терапии, могут ослабить воспаление в легких, называемое пневмонитом, но не все пациенты реагируют одинаково хорошо. Это связано с тем, что RILI – это сложное заболевание, которое варьируется в зависимости от пациентов и зависит от факторов риска, таких как возраст, состояние рака легких и других ранее существовавших заболеваний легких, а также, вероятно, генетический состав пациента. В случае ядерных аварий, которые обычно связаны с однократным воздействием гораздо более высоких доз радиации, пока нет никаких медицинских контрмер, которые могли бы предотвратить и защитить от повреждения легких и других органов, что делает это ключевым приоритетом Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA).
Основным препятствием для развития гораздо более глубокого понимания патологических процессов, вызванных радиацией в легких и других органах, которая является основой для обнаружения медицинских контрмер, является отсутствие экспериментальных модельных систем, которые подытоживает, как именно повреждение происходит у людей. Доклинические модели мелких животных не производят ключевых отличительных черт патофизиологии человека и не имитируют чувствительность к дозам, наблюдаемую у людей. И хотя модели приматов, не являющиеся людьми, считаются золотым стандартом для радиационных травм, они дефицитны, являются дорогостоящими и вызывают серьезные этические проблемы; они также не являются человеческими и иногда не могут предсказать реакцию, наблюдаемые при попадании лекарств в клинику.
Теперь многопрофильная исследовательская группа в Институте биологически вдохновленной инженерии Висс при Гарвардском университете и Бостонской детской больнице во главе с директором-основателем Висс Дональдом Ингбером, доктором философии, в рамках проекта, финансируемом Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, разработала человеческую модель in vitro, которая тесно имитирует сложности RILI и чувствительности к радиационным дозам легких человека. Альвеолы легких – это небольшие воздушные мешки, где происходит обмен кислорода и CO2 между легкими и кровью, и основное место радиационного пневмонита. Используя ранее разработанный микрожидкостный чип альвеол легкого человека, выложенный клетками альвеолярного эпителия легких человека, взаимодействующим с капиллярными клетками легких, для воссоздания альвеолярно-капиллярного интерфейса in vitro, исследователи восстановили многие отличительные черты RILI, включая радиационно-индуцированное повреждение ДНК в легочной ткани, клеточные изменения в экспрессии генов, воспаление и повреждение как эпителиальных клеток легких, так и эндотелиальных клеток, выстилающихся кровеносных сосудов. Оценивая также потенциал двух препаратов для подавления эффектов острой RILI, исследователи продемонстрировали возможности своей модели как передовой, актуальной для человека, доклинической, платформы для открытия лекарств. Выводы опубликованы в Nature Communications.
“Улучшее понимание того, как происходит радиационное повреждение, и поиск новых стратегий их лечения и профилактики представляет собой многогранную проблему, которая перед лицом ядерных угроз и реалий современных методов лечения рака нуждается в совершенно новых решениях”, – сказал Ингбер. «Модель Lung Chip, которую мы разработали для подведением к разработке RILI, использует наш обширный опыт в области культуры микрожидкостныхчипов органов и, в сочетании с новыми аналитическими и вычислительными инструментами обнаружения лекарств и биомаркерок, дает нам мощные новые вторжения в эту проблему». Ингбер также является профессором сосудистой биологии Джуда Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерной инженерии Хансьёрга Высса в Гарвардском университете имени Джона А. Школа инженерных и прикладных наук Полсона.
Усовершенствованная человеческая модель RILI in vitro
Чип альвеола легких человека – это 2-канальная микрофлюидная система культивирования, в которой первичные альвеолярные эпителиальные клетки легких человека культивируются в одном канале, где они подвергаются воздействию воздуха, как и в легких. Они также соединяются через пористую мембрану с первичными капиллярными эндотелиальными клетками легких человека в параллельном канале, которые постоянно пердуцируются с кровеподобной питательной средой, содержащей циркулирующие иммунные клетки человека, которые также могут способствовать радиационным реакциям. Этот тщательно спроектированный, иммунологически активный альвеолярно-капиллярный интерфейс также испытывает циклические механические движения, имитирующих фактические дыхательные движения. Важно отметить, что этот живой дыхательный чип легких может временно подвергаться воздействию клинически значимых доз радиации, а затем исследовать последствия в течение длительного периода времени.
Когда Lung Alveolus Chip подвергался воздействию увеличивающихся доз радиации, реакции на уровне клеток, тканей и органов, смоделированных на чипе, тесно согласующихся с клиническими наблюдениями и, что важно, предложили новое понимание RILI. После однократной лучевой терапии команда смогла наблюдать разрывы в хромосомах клеток с активацией связанного механизма восстановления ДНК, количество которого увеличивалось с количеством радиации, нанесенного на Lung Alveolus Chip. Это было параллельно с повышением уровня активных форм кислорода, которые, как известно, также повреждают ДНК, а также многие другие типы молекул. Клетки начали увеличивать свои размеры, явление, известное как гипертрофия, которое обычно наблюдается при альвеолярных травмах in vivo, барьер, состоящий из плотно упакованных эндотелиальных и эпителиальных клеток, начал разрушаться, и жидкость текла через эндотелиальный канал, накопленный в эпителиальный канал.
“Интересно, что мы нанесем на карту уровни нескольких провоспалительных цитокинов в течение семидневного курса после лучевой терапии, что особенно важно для оценки предстоящей радиационной травмы легких. Симптомы RILI у пациентов начинают появляться только через неделю после воздействия, но предшествующее воспаление не может быть зафиксировано у пациентов”, – сказал первый автор Куини Дасгупта, доктор философии, который руководил проектом в качестве постдокторанта в команде Ингбера, а теперь является ученым в Systemic Bio, компании 3D Systems. “Как только явный RILI проявляется у пациентов, часто бывает слишком поздно спасать пораженную легочную ткань”.
Команда обнаружила, что первые провоспалительные цитокины начали повышаться уже через 6 часов после применения высоких доз радиации, и что их количество и уровни продолжали увеличиваться до седьмого дня, окончания периода наблюдения. Важно отметить, что эта тенденция была гораздо более выраженной в эндотелиальных клетках сосудов, чем в эпителиальных клетках легких. Параллельно, повреждение клеток в Lung Alveolus Chip со временем было обращено в эпителиальных клетках, но, напротив, оно сохранялось в эндотелиальных клетках, повторяя клинические наблюдения, которые показали, что RILI преимущественно влияет на эндотелий сосудов в альвеолах.
От радиационного повреждения до генов и мишеней
Чтобы более систематически понять клеточные изменения, вызванные радиацией в чипе легких, и определить потенциальные мишени лекарств, исследователи проанализировали полные программы экспрессии генов эпителиальных и эндотелиальных клеток с течением времени. Это позволило им не только дополнительно определить специфические для клеток воспалительные реакции на ранней и более поздней стадии, но и генерировать данные об экспрессии генов всего генома, которые они могли бы подавать в вычислительный алгоритм на основе машинного обучения под названием «Сетевая модель для обнаружения причинно-следственной связи» (NeMoCAD). Ранее NeMoCAD позволял команде Ингбера прогнозировать терапевтические цели и перепрофилировать лекарства, которые обращают вспять состояния заболевания. Анализ привел их к гену под названием HMOX1, который участвует в антиоксидантной реакции и экспрессия которого была повышена сразу после радиационного облучения и оставалась повышенной на протяжении всего семидневного курса исследования.
«Мы обнаружили, что дальнейшее повышение уровня HMOX1 с помощью препарата ловастатина в легке Alveolus Chip снижает повреждение ДНК и клеточную гипертрофию на ранней стадии после облучения, подобно противовоспалительному препарату преднизолону, который мы использовали в качестве положительного контроля. Позже, однако, ловастатин усугубили нарушение эндотелиального барьера. Фактически, экспериментально сбивая экспрессию HMOX1 на более поздних стадиях, мы могли бы частично обратить вспять его более поздние неблагоприятные эффекты”, – объяснил Дасгупта. “Это показало, что функция HMOX1 действительно очень актуальна для разработки RILI, но также предполагает, что таргетинг HMOX1 и, возможно, целей, связанных с другими потенциальными процессами, может потребовать более сбалансированного терапевтического подхода”.
Исследование является частью более масштабной кампании в Институте Wyss, направленной на исследование острого радиационного повреждения нескольких органов и тканей. Группа ранее смоделировала острую радиационную травму в моделях органных чипов кишечника и костного мозга, и каждая из них продемонстрировала различную чувствительность к радиационным дозам, которая соответствовала чувствительности человеческой. Команда Ингбера также предполагает, что радиационное повреждение одного органа также может повлиять на функцию других органов, и планирует устранить эту возможность путем микрожидкостной связи различных чипов органов в будущем. Они также считают, что гиперчувствительность пациентов, предрасположенных к облучению от других заболеваний легких, может быть смоделирована с помощью персонализированных Lung Alveolus.