Уникальная научная установка «Микробиореатор для культивирования клеточных моделей»
Микробиориактор для культивирования клеточных моделей является уникальной разработкой, не имеющей аналогов в России и в мире.
Установка позволяет проводить исследования, связанные с использованием микрофлюидных моделей органов-на-чипе для моделирования различных органов человека в норме и патологии, исследования межклеточных взаимодействий и изучения фармокинетики и фармодинамики различных препаратов и химических веществ в условиях доклинических экспериментов.
Создание физиологически релевантных in vitro моделей является одним из ключевых направлений в моделировании биопроцессов. Этот подход позволяет проводить эксперименты с результатами, максимально приближенными к in vivo условиям, обеспечивая при этом более точный контроль экспериментальных параметров. Такая оптимизация повышает точность исследований, сокращает время их проведения и делает исследовательский процесс более эффективным и воспроизводимым.
В отличие от большинства подобных устройств, микробиореактор представляет собой завершённое, автономное устройство, объединяющее в компактном биочипе все необходимые компоненты флюидной системы.
Установка состоит из специально разработанных и оптимизированных компонентов: сменные биочипы и блок управления, блок детектирования, охлаждаемый штатив для реактивов, безмасляный компрессор Remeza КМ-24.OLD20К, вакуумный мембранный насос WOB-L 2522 (ILMVAC GmbH), микроскоп Zeiss Axio Observer Z1, инкубационная система PeCon Incubation System S (включающая Heating Unit XL S, CO₂ Module S и TempModule S).
Биочип представляет собой одноразовую конструкцию, содержащую от одной до четырех независимых микрофлюидных систем (контуров). Каждый контур включает каналы для циркуляции питательной среды, ячейки для культивирования клеток и микронасос. Конфигурация микрофлюидной системы может отличаться в зависимости от условий эксперимента. Это позволяет исследователю сосредоточиться на решении основной задачи, а не на сопряжении различных модулей, снижая риск контаминации и упростив поддержание условий культивирования.
С помощью блока управления настраивается скорость циркуляции питательной среды, производится мониторинг ее основных параметров. Блок управления позволяет подключать до восьми биочипов в зависимости от конфигурации микрофлюидной системы и задач исследования. Также возможно подключение дополнительных сенсоров для измерения скорости потока, давления, уровня кислорода и различных метаболитов, таких как глюкоза.
Микробиореактор позволяет проводить культивирование клеток в потоке, обеспечивая условия для длительного (до 28 дней) поддержания клеточных моделей, что делает его отличным инструментом для исследования долгосрочных эффектов. Автоматизация рутинных процессов, таких как смена среды и отбор проб, значительно снижает трудоемкость экспериментов.
Примеры моделей «орган-на-чипе»:
- Кишечник-на-чипе — используется для изучения абсорбции лекарственных препаратов, биологически активных добавок и токсинов; секреции и поглощения микроРНК; роли внеклеточного матрикса и микроциркуляции в моделях кишечника; а также взаимодействия с микробиомом.
- Плацента-на-чипе — позволяет оценивать транспорт и токсичность препаратов через плацентарный барьер, моделировать гипоксию, а также исследовать роль микроРНК и внеклеточного матрикса в межклеточном взаимодействии.
- Печень-на-чипе — применяется для исследования метаболизма и токсичности различных соединений.
- Гематоэнцефалический барьер-на-чипе — позволяет изучать проницаемость сфероидов нервных клеток, покрытых эндотелием, для различных препаратов, а также исследовать эффекты гипоксии.
- Опухоль-на-чипе — используется для выращивания опухолевых клеток из первичных клеток пациентов, анализа чувствительности опухолей к препаратам, изучения инвазии и метастазирования опухолевых клеток и их проникновения в органы-мишени в пределах микрофлюидного чипа.
УНУ активно используется в различных направлениях исследований, включая:
- Проведение доклинических испытаний лекарственных средств на физиологически релевантных моделях;
- Разработка индивидуальных схем лекарственной терапии опухолевых заболеваний;
- Оценка безопасности наночастиц и наноматериалов;
- Мониторинг экологической безопасности в промышленности;
- Фундаментальные и прикладные медико-биологические исследования.
Кроме того, с применением УНУ проводятся исследования по тестированию фармакологически активных веществ, а также по изучению влияния различных инженерных решений и конфигураций на функционирование микрофлюидных систем.
Публикации:
Dmitry Sakharov, Diana Maltseva, Evgeny Knyazev, Sergey Nikulin, Andrey Poloznikov, Sergey Shilin, Ancha Baranova, Irina Tsypina, Alexander Tonevitsky et al. "Towards embedding Caco-2 model of gut interface in a microfluidic device to enable multi-organ models for systems biology." BMC Systems Biology 13 (2019): 3-11.
Timur R. Samatov, Nadezhda V. Senyavina, Vladimir V. Galatenko, Eugene V. Trushkin, Svetlana A. Tonevitskaya, Dmitriy E. Alexandrov, Galina P. Shibukhova, Udo Schumacher & Alexander G. Tonevitsky et al. "Tumour-like druggable gene expression pattern of CaCo2 cells in microfluidic chip." BioChip Journal 10 (2016): 215-220.
A. V. Aleksandrova, N. P. Pulkova, T. N. Gerasimenko, N. Yu. Anisimov, S. A. Tonevitskaya & D. A. Sakharov et al. "Mathematical and experimental model of oxygen diffusion for HepaRG cell spheroids." Bulletin of experimental biology and medicine 160 (2016): 857-860.
Nikulin, S. V., E. A. Tonevitsky, and A. A. Poloznikov. "Effect of ketoconazole on the transport and metabolism of drugs in the human liver cell model." Russian Chemical Bulletin 66 (2017): 150-155.
Petrov, V. A., Tatiana Gerasimenko, O. V. Kindeeva, I. N. Gazizov, et al. "Developing a microfluidic device with an integrated electrode system for measuring the impedance spectra of cellular models in real time." Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics 84 (2020): 147-150.
Andrew A. Poloznikov, A.A. Zakhariants, Sergey Nikulin, N.A. Smirnova, Poloznikov, A. A., et al. "Structure-activity relationship for branched oxyquinoline HIF activators: Effect of modifications to phenylacetamide “tail”." Biochimie 133 (2017): 74-79.
Semenova, O., et al. "Effect of Circulation Parameters on Functional Status of HepaRG Spheroids Cultured in Microbioreactor." Bulletin of Experimental Biology & Medicine 161.3 (2016).
Руководитель работ:
Руководитель УНУ «Микробиореактор», член-корреспондент, доктор биологических наук, профессор, руководитель лаборатории «Лаборатория микрофлюидных технологий для биомедицины»
А.Г. Тоневицкий
Контакты:
Адрес: Российская Федерация, 117997 Москва, улица Миклухо-Маклая, дом 16/10
Телефон руководителя: +79096588865
e-mail: vannkhaustov@gmail.com