В новом отчете, опубликованном в Scientific Reports , Майкл Дж. Рупар и исследовательская группа Hesperos Inc., Флорида, США, разработали функциональную многоорганную бессывороточную систему для культивирования P. falciparum — простейшего, вызывающего преимущественно тяжелой и смертельной малярии, чтобы создать инновационные платформы для разработки терапевтических препаратов.
Платформа содержала четыре конструкции органов человека, включая гепатоциты, спленоциты, эндотелиальные клетки и рециркулирующие клетки крови , для взаимодействия с паразитическим организмом для имитации инфекции. Команда использовала два штамма P. falciparum; штамм 3D7, чувствительный к хлорохину; хорошо зарекомендовавший себя противомалярийный препарат и хлорохин, устойчивый к штамму W2. Они поддерживали функциональные клетки в здоровых и больных условиях в течение 7 дней в рециркуляционной микрожидкостной модели.
Ученые продемонстрировали эффективную платформу для терапевтической разработки, где лечение хлорохином значительно снижало паразитемию в модели штамма-компонента 3D7. Они использовали эту установку для определения терапевтического индекса, чтобы оценить нецелевую токсичность противомалярийного лечения в зависимости от дозы. Результаты могут установить новый подход к оценке противомалярийной терапии на реалистичной модели человека, которая поддерживала кровообращение в течение 7 дней.
Жизненный цикл Plasmodium falciparum
Жизненный цикл паразита состоит из двух стадий: во время приема пищи спорозоиты высвобождаются из слюны комара, а затем через периферическое кровообращение попадают в печень, где размножаются в гепатоцитах. Это приводит к обилию мерозоитов в течение нескольких дней, которые затем высвобождаются из разорванных гепатоцитов и перемещаются из печени в кровоток.
Жизненный цикл мерозоитов бесполый и эритроцитарный, при котором паразит развивается путем заражения клеток крови. Быстрое бесполое размножение, подпитываемое гемоглобином хозяина, привело к тому, что мерозоиты перешли в стадию кольца через 48 часов, чтобы затем созреть в трофозоиты и шизонты , которые продолжают расти и размножаться, пока не лопнут, высвобождая больше мерозоитов для повторения цикла инфекции.
Разработка стратегий борьбы с малярией
Малярия — это эпидемия, которая набирала обороты с 2014 по 2020 год, и количество сообщений о появлении устойчивых штаммов с годами неуклонно растет . В результате биоинженеры и ученые-биологи стремятся разработать новые подходы к противомалярийным разработкам для борьбы с прогрессированием болезни.
Паразит Plasmodium вызывает малярию и передается самкой комара Anopheles . Из вариантов вид falciparum является самым смертоносным и в первую очередь ответственен за множество тяжелых случаев малярии .
Всемирная организация здравоохранения стремится к 2030 году снизить заболеваемость малярией и смертность от нее во всем мире на 90 процентов. Исследователи стремятся достичь этой цели, изучая новые платформы для изучения средств от этой болезни. Одной из таких попыток является разработка Рупаром и его коллегой многоорганной доклинической платформы для открытия противомалярийных препаратов, которая может устанавливать и поддерживать здоровые и болезненные состояния в качестве экономически эффективного метода для моделей на животных.
Экспериментальная установка
Рупар и др. использовали два штамма P. falciparum; чувствительный к хлорохину и устойчивый к хлорохину штамм, которые успешно поддерживались в течение 8-дневного периода в мультиорганной модели. Ученые создали этот инструмент для оценки терапии малярии у людей, чтобы изучить эффективность и безопасность платформы, а также изучить безопасность терапевтического индекса для дополнительных исследований. Рупар и его коллеги разработали микрожидкостное устройство, содержащее три компонента для нанесения на пластины печени, селезенки и эндотелиальных клеток.
Безнасосная система вводила гравитационный поток в многоорганную систему с синусоидальным качанием с соответствующими физиологическими параметрами . Разработав модель малярии на чипе с микрофлюидикой без насосов, они обеспечили рециркуляцию первичных эритроцитов человека, чтобы смоделировать предварительные стадии системной инфекции паразитом P. falciparum.
Малярия на чипе
Ученые охарактеризовали клетки в многоорганной системе, собрав клетки на чипах без паразита на платформе малярии-на-чипе. Они провели исследование в течение 7 дней, чтобы определить жизнеспособность, функцию и внешний вид клеток в здоровой микрофизиологической системе через 7 дней. Затем команда изучила жизненный цикл паразита в приборе и включила два штамма; штамм 3D7 и штамм W2, которые чувствительны к хлорохину и устойчивы к хлорохину, соответственно.
Исследователи наблюдали за всеми стадиями в течение 8 дней, чтобы определить уровень паразитемии в каждой системе.
Практичность органно-чипового инструмента
Затем команда изучила жизнеспособность функциональных клеток в приборе с органным чипом, где они содержали эритроциты, инфицированные штаммом или неинфицированной кровью, в течение 8 дней культивирования. Используя фазовую визуализацию, они захватили функциональные клетки до сборки и сразу после разборки на 8-й день. Морфологические изменения указывали на нарушение жизнеспособности клеток при заражении P. falciparum.
Рупар и его коллеги контролировали паразитемию каждые 12 часов и отметили значительно более низкие уровни паразитов в группе лечения. Хотя это снижение паразитарных уровней колебалось между чувствительной к лекарству и резистентной к лекарству системой, в конечном итоге уровни были значительно ниже в чувствительной к хлорохину группе лечения по сравнению с резистентной системой. Разобрав инструменты, они продолжили изучение жизнеспособности составляющих клеток.
Перспектива
Таким образом, Майкл Дж. Рупар и его коллеги разработали модель заболевания малярией с четырьмя органами, представляющую инфекцию P. falciparum. Используя модель, команда определила любые нецелевые эффекты хлорохина на функциональность или жизнеспособность конструкций органов и определила терапевтический индекс для противомалярийной терапии. Бессывороточная многоорганная конструкция содержала печень, селезенку и эндотелиальные органы, чтобы представить экономичный подход к изучению противомалярийной терапии.
Эта конструкция позволяет биохимикам и биоинженерам изучать паразитарные взаимодействия в режиме реального времени в микрофизиологической среде «орган-чип» и выявлять предсказуемые нецелевые эффекты терапевтических соединений.
Теги: биотехнологии, чип
