Elkészült az első tüdőchip

Ha mérnöki szemmel nézzük, az emberi tüdő a hatékony "szerkezetek" egyik legjobb példája: a felnőttek tüdejének összesen 140 négyzetméteres felülete a lehető legjobb hatásfokkal képes elvégezni a gázcserét. A Science legújabb számában megjelent tanulmányok szerzői ezt próbálták meg utánozni, jelentős sikerrel. Az egyik esetben élő patkányokba ültettek egy előzőleg lecsupaszított, majd sejtekkel újra feltöltött tüdőt, a másik alkalommal pedig egy mesterséges tüdőchip létrehozásáról számoltak be a kutatók.

Bár a transzplantálandó szervek közül hazánkban épp a tüdőátültetés az, amely nem jelent különösebb problémát, a világ más részein általában hiány van az átültetésre alkalmas szervekből. A tüdőátültetést igénylő magyar betegeknek nem kell várakozniuk, mindenkit azonnal el tudnak látni, ha a kezelőorvos indokoltnak tartja a beavatkozást: a hazai betegeket egy bécsi centrumban operálják, a páciensek utógondozását viszont már nem Bécsben, hanem Magyarországon végzik.

A tüdőtranszplantációk egyik legfőbb nehézségét az jelenti, hogy a beültetésre egyébként alkalmas szervek körülbelül 80 százaléka a különféle sérülések miatt mégsem használható. Ennek oka, hogy a donor agyhalálát vagy az intenzív osztályon történő hosszabb kezelést követően a tüdőt romboló gyulladásos folyamatok indulnak be. A halott donoroktól származó tüdők átültetésének további fő veszélyei, hogy a befogadó szervezetében felerősödhetnek a gyulladások, illetve beindulhat a szerv kilökődési reakciója.

Ezeken a problémákon többféle módon is megpróbáltak már segíteni a kutatók. A módszerek egyike a génterápia, amellyel a használhatatlannak ítélt szervek körülbelül egynegyedét lehetne regenerálni. (Erről korábbi cikkünkben írtunk részletesen: Testen kívül javítottak fel tüdőket). A Science legújabb száma most egy újabb, szintén ígéretes próbálkozásról is beszámolt, sikerült továbbá egy olyan tüdőchipet is létrehozni, amellyel a gyógyszervizsgálatokhoz szükséges állatkísérleteket lehetne kiváltani.

A tüdőszövet nem regenerálódik

A tüdőszövettel kapcsolatos egyik legfőbb probléma, hogy más szövetekkel ellentétben ezek a sejtek nem képesek a szervezeten belüli regenerációra. Ha tehát a tüdőszövet elpusztul, vagy súlyosan károsodik, akkor egy idő után nincs más lehetőség, mint új szervet beültetni, ami viszont a szervtranszplantációk ismert veszélyeivel jár. A betegeknek a kilökődés veszélye miatt az immunrendszert gyengítő szereket kell szedniük, méghozzá életük végéig. Mivel az átültetendő tüdőkből a legtöbbször hiány van, komoly előrelépést jelentene, ha mesterséges tüdőkkel lehetne kiváltani a donorszerveket.

Hogyan hozható létre a laborban mesterséges tüdőszövet? A Yale Egyetem kutatói nemrég komoly lépést tettek ebbe az irányba: a szakemberek egy patkány tüdejét használták fel a szövetek teljes újjáépítésére (részletesen lásd keretes anyagunkat). Az új tüdő egy élő patkány szervezetébe ültetve hatékony gázcserét tudott végezni, legalábbis egy rövidebb ideig. Az eredmények alapján feltételezhető, hogy akár az emberek esetében is alkalmazni lehetne majd ezt az eljárást - írja a Science legújabb száma.

Még nem elérhetőek az emberi alkalmazáshoz szükséges sejttípusok

Thomas Petersen és munkatársai elsőként kivágták a patkányok tüdejét, majd óvatosan eltávolították a szivacsos szerkezetű epiteliális sejteket (az epitélsejtek a tüdő belső felszínét bélelő hámsejtek). A hámszövethez hasonlóan a vérerek is eltávolításra kerültek. A tüdőből mindössze a szerv vázát alkotó kötőszövet maradt meg, amely megtartotta eredeti rugalmasságát és az eredeti tüdő minden mechanikai tulajdonságát.

A tüdő kötőszövetes vázát ezt követően egy különféle sejtekből álló keverékben oldották fel: ebben egyaránt jelent voltak a hámszövet külső rétegét alkotó epiteliális, valamint a vérerek falát bélelő endoteliális sejtek. Néhány nap elteltével az így létrehozott új tüdőszövetben megjelentek a léghólyagocskák, a hajszálerek, valamint az apró légcsövecskék is: mindenhol a megfelelő sejttípusok kezdtek el osztódni.

Amikor az új tüdőket élő patkányokba ültették át egy vagy két órára, szabályosan lezajlott a gázcsere, vagyis az oxigén és a szén-dioxid cseréje - akárcsak egy igazi tüdőben. Ahhoz, hogy ez az eljárás a klinikai gyakorlatban is használhatóvá váljon, a következő szükséges: a kötőszöveti vázat újra benépesítő sejteknek attól a betegtől kell származniuk, aki az új tüdőt fogja kapni (recipiens). Mindez azért szükséges, hogy elkerülhető legyen a szerv kilökődése. Ezek a sejtek a legnagyobb valószínűséggel a tüdő őssejtjei lehetnének, vagy olyan sejtek, amelyeknél mesterséges úton hozták létre a többféle sejttípus kialakítására való képességet (indukált pluripotens őssejtek, másnéven IPS-sejtek) - írja a Science összefoglalója.

Tüdő a chipen

Már évek óta ismertek azok a szerkezetek, amelyeket chipre épített laboroknak - lab on a chip - neveznek: ezek olyan mikroszkopikus méretű eszközrendszerek, amelyek pillanatok alatt eredményt adnak, emellett a számítógépes adatfeldolgozás lehetőségét is felkínálják. A chiplaborok mintájára alkotta meg egy másik kutatócsoport a mikrochip felszínére felvitt tüdőt (lung on a chip). Az apró méretű eszköz képes rá, hogy utánozza a tüdő léghólyagocskái és a hólyagocskák felszínén futó erek közötti "határvonalat" (a gázcsere itt, vagyis a léghólyagocskák és a kapillárisok között megy végbe).

Tüdő a chipen: az új eszköz csökkentheti a gyógyszeripar igényét a különféle állatkísérletekre

Az eszköz annak alaposabb megértésében segíthet, hogy ezen a szinten pontosan miként is működik a tüdőszövet - ez az információ igen nehezen szerezhető meg olyan vizsgálatokból, amelyeket sejtkultúrákkal vagy állatokkal végeznek. A tüdőchipnek komoly gyakorlati haszna is lehetne a szerzők szerint: a gyógyszerek tesztelésekor és a különféle toxikológiai vizsgálatok során kiválthatóak lennének vele az állatkísérletek, egyes esetekben pedig talán még a klinikai vizsgálatok egy részét is helyettesíthetné.

Maga az eszköz egy lyukacsos, hajlítható szilikonhártyából áll, amelyet a tüdőhólyagocskák belső felszínét borító hámsejtekkel vontak be az egyik oldalán, a másik oldalára pedig a vérereket bélelő sejteket vittek fel. A levegő számára a szilikon határolóhártyán átívelő mikrocsatornák tették lehetővé, hogy átjusson a hártya egyik oldaláról a másikra (a kísérlet típusától függően néha nem levegőt, hanem folyadékot alkalmaztak). A levegő vagy folyadék áramlását az eszközben létrehozott vákuum segítségével váltották ki, amelynek hatására a határolóhártya az élő tüdő sejthártyáihoz hasonló módon tudott megnyúlni - írja a Science.

Helyettesíthető állatkísérletek

A tüdőchippel sikeresen meg lehetett ismételni azokat a folyamatokat, amelyek egy valódi, élő tüdőben zajlanak: ilyenek voltak többek között a kórokozókra adott gyulladásos reakciók, vagy azok az élettani folyamatok, amelyeket a citokineknek nevezett hírvivő molekulák képesek kiváltani a tüdőben. (A citokinek például az influenzás fertőzés során a tüdőben keletkező citokin-viharról lehetnek ismerősek, ami rossz esetben akár halálhoz is vezethet; ezek olyan jelzőmolekulák, amelyeket az immunrendszer sejtjei termelnek, és segítségükkel más sejtek működését befolyásolják.)

A tüdőchip működés közben: az eszköz többek között a tüdő baktériumokra adott reakcióját is képes utánozni

A tüdőchipben mechanikai erőkifejtés hatására - a tüdőben ilyen alakul ki a légzés során - az előzőleg bevitt nanorészecskék felvételét is növelni lehetett a légzsákok membránjának belső oldalára (a nanorészecskék a nanométeres, vagyis a méter egymilliárdod részének megfelelő mérettartományba esnek). Elő lehetett továbbá segíteni, hogy a részecskék a mesterséges léghólyagocskákból a vért egyébként szállító kapillárisokba kerüljenek át.

"A tüdőchip azon képességei, hogy megjósolható vele a levegőből a tüdőnkbe kerülő, igen kisméretű részecskék felszívódási módja, vagy az, hogy leutánozhatóak a mikrobiális kórokozók által kiváltott gyulladásos folyamatok, értékes eszközzé teszik ezt a szerkezetet. A chipekre felvitt szervek idővel kiválthatnák például a gyógyszerek teszteléséhez vagy a mérgező anyagok vizsgálatához szükséges állatkísérletek egy részét" - mondta Donald Ingber, a tanulmány egyik szerzője.

"Az eddigi mikroeszközök esetében mindig volt valamilyen korlát, vagy biológiai, vagy mechanikai értelemben. Nem érthetjük azonban pontosan meg, hogy miként működnek a biológiai folyamataink, egészen addig, amíg nem hozunk létre a mostanihoz hasonló szerkezeteket. A tüdőchip képes rá, hogy fizikailag is pontosan modellezze a valódi, élő sejtekben, szövetekben és szervekben zajló folyamatokat" - mondta Ingber.

Forrás: Science/AAAS