Дыхающее лёгкое на чипе
Семнадцать лет назад клеточный биолог Дональд Ингбер и его коллеги из Wyss Institute при Гарвардском университете опубликовали в журнале Science статью, описывающую модель искусственного человеческого лёгкого. Устройство было меньше флешки — прозрачный полимерный слой с микроскопическими каналами, выстланными клетками лёгочных альвеол и кровеносных сосудов. Когда воздух поступал в соседние камеры, устройство ритмично расширялось и сжималось — оно «дышало».
Такое естественное движение было драматическим шагом вперёд по сравнению с предыдущими поколениями моделей лёгких, которые использовали статичные культуры ткани, неспособные воспроизвести движения, необходимые для функционирования органа. При воздействии воспалительных белков и бактерий искусственное лёгкое реагировало так же, как живое. Воздействие наночастиц кремния, используемых для моделирования ультратонких частиц загрязнения, показало, что движение влияет на то, как ткани их поглощают.
Это была убедительная демонстрация системы, которую можно использовать для тестирования лекарств и других химических веществ — как дополнение или даже альтернативу тестированию на культурах тканей или животных. Однако редакторы Science проявили сомнения. Они отклонили статью и предложили команде также провести тесты на мышах.
Запрос был обоснованным: лёгкое, разработанное в Гарварде, было новым, и сравнение результатов с мышиными данными помогло бы его валидировать. Команда Ингбера провела предложенные эксперименты и переправила работу год спустя, в 2010 году — она была опубликована. С тех пор на неё ссылались почти 5400 других работ. Однако инцидент свидетельствовал о том, как прочно животные модели укоренились в современных биомедицинских исследованиях.
Когда регулирование разворачивается
Недавний случай, описанный Илкой Машмейер, трансляционным токсикологом и руководителем немецкой биотехнологической компании TissUse, показывает, как многое изменилось. TissUse специализируется на создании систем organ-on-a-chip — бытовом названии для устройств вроде лёгкого Ингбера, — которые используют фармацевтические компании для исследований. Несколько месяцев назад к TissUse обратилась фармацевтическая компания, получившая отказ Управления по контролю за продуктами питания и лекарствами (FDA) на проведение клинического испытания нового лекарства. Причина: компания предоставила данные на животных, но FDA требовала данные от органов-на-чипе или какой-то другой альтернативы. Стандарты развернулись в полный оборот.
Этот момент отражал тенденцию — быть может, даже ранние признаки фундаментального сдвига — в отходе от использования животных в токсикологии и разработке лекарств. «Это всё ещё редко, — говорит Машмейер, — но я думаю, что это будет происходить всё чаще и чаще».
За последние годы разработано множество альтернатив экспериментам на животных. Вместе они известны как NAM — аббревиатура, которая означает (в зависимости от того, с кем говорить) новые методологические подходы, новые альтернативные методы или методы без использования животных. Большинство NAM ещё не прошли строгую проверку, однако ранние исследования показывают их потенциал.
По мере того как NAM становились всё более совершенными, вопрос об их реализации сместился с технических качеств на практические шаги, необходимые для раскрытия их потенциала. Валидация NAM — стандартизация систем, проведение лобовых сравнений с животными экспериментами — огромный вызов. Более того, просто превзойти животные модели необходимо, но недостаточно. Внедрение NAM потребует изменений в политике, подготовке и культуре.
«Этот переходный процесс намного сложнее, чем вы думаете, — говорит Томас Хартунг, токсиколог и директор Центра альтернатив тестированию на животных при Университете Джонса Хопкинса. — Это больше о смене управления, чем о самой технологии».
Технологии, заменяющие тестирование на животных
Десятилетиями защитники прав животных и многие учёные критиковали как мораль, так и эффективность экспериментов на животных. По оценкам, 92 процента всех лекарств, вступивших в клинические испытания в США, не достигают рынка — иногда по коммерческим причинам, но часто потому, что препараты оказываются неэффективными или небезопасными так, как не предсказывали животные эксперименты. Уровни отказов ещё выше для лекарств при заболеваниях сердца, раке и болезнях мозга.
Эта статистика не означает автоматически, что виноваты животные. Проблема также в ошибочных схемах исследований и просто в запутанной сложности заболеваний. Но нет сомнений, что животные оказались слабыми заменителями для многих состояний. И так же как животные эксперименты могут ошибочно предположить эффективность или не предсказать вред для человека, они также могут ошибочно предположить, что лекарства неэффективны или вредны, когда они на самом деле могли бы помочь. Некоторые исследователи утверждают, что если бы аспирин или парацетамол были открыты после введения современных требований к тестированию, от них можно было бы отказаться.
Исследователи, разрабатывающие NAM, продвинули эти системы далеко за пределы старомодных культур тканей. Новые технологии включают органоиды, которые более точно имитируют структуру, состав и функцию человеческих органов. Ещё более человекоподобны системы organ-on-a-chip; наряду с лёгким Ингбера существуют мозг, сердце, почки и даже плаценты на чипе. Вместе эти органы связаны в системы, которые обещают воспроизвести многие аспекты человеческой физиологии — не идеально, но лучше, чем мышь или обезьяна. Поддерживают эти системы вычислительные модели органов и организмов, а также инструменты искусственного интеллекта, которые анализируют данные, полученные другими системами, и информируют будущие эксперименты в мощном итеративном цикле.
Тем не менее, даже когда исследования накапливались и некоторые фармацевтические компании начали использовать NAM в собственных лабораториях, система нормативно-правового регулирования США, управляющая разработкой и тестированием лекарств, оставалась препятствием для их более широкого использования. Сторонники NAM были в восторге, когда в конце 2022 года прошёл закон FDA Modernization Act 2.0. Он явно разрешал использование NAM в доклинических исследованиях, необходимых для новых лекарств перед началом испытаний на людях. Предыдущие нормы требовали тестирования на животных; теперь двери открыты для альтернатив. Это был исторический момент. «Я не ожидал это увидеть в своей жизни», — говорит Машмейр.
Хотя немедленный лабораторный эффект был ограничен, решение FDA было предвестником грядущих событий. В 2025 году FDA обязалась «сделать исследования на животных исключением, а не правилом» для тестирования безопасности лекарств. Затем, в сентябре 2026 года, агентство издало правило, которое, если оно вступит в силу, заменит ссылки на «тесты на животных» в своих нормативных актах по разработке лекарств на более широкий термин «доклинические тесты». Изменение явно указывает, что валидированные альтернативы, такие как системы человеческих клеток, органы-на-чипе и компьютерные модели, могут использоваться, когда это целесообразно.
Также в 2025 году Национальные институты здоровья США, крупнейший в мире государственный источник биомедицинского финансирования, объявили, что исследователи, подающие заявки на гранты для изучения моделей на животных, также должны будут включить исследования без использования животных, такие как реальные данные или исследования NAM. Между тем, Европейская комиссия и Соединённое Королевство объявили свои собственные планы по поэтапному отказу от тестирования на животных, и Организация экономического сотрудничества и развития обновила свои влиятельные руководящие принципы, позволяющие расширенное использование NAM.
Сторонники NAM говорят, что эти сдвиги были необходимы: если регуляторы не примут результаты NAM, будет меньше стимулов для их внедрения, особенно для исследователей, уже работающих с животными. Машмейер говорит, что клиенты TissUse всё чаще включают учёных, чьи исследования были сосредоточены на животных. «Я вижу за последний год изменение, — говорит Машмейер. — Это больше людей, работающих с животными моделями, которые теперь также должны добавить модели in vitro». Она связывает это главным образом с нормативным сдвигом — тенденция, которую Ингбер называет «меняющей игру».
Доказательство того, что NAM работают
Регуляторам недостаточно сказать, что NAM можно или следует использовать. Ещё более важен нормативный аппарат, предназначенный для оценки того, как их использовать. Это начинается с их валидации: процесс, посредством которого экспериментальные методологии и устройства определяются как надёжные и достоверные. Прототип мозга-на-чипе, разработанный для моделирования редкого неврологического заболевания, может отлично работать в лаборатории, которая его разработала, — но для валидации система должна работать в реальном мире.
«Вы читаете обо всех органных чипах, выходящих из академических лабораторий, что здорово — но это не изменит их внедрение FDA, потому что вы должны получить одни и те же результаты где угодно в мире. Это должен быть коммерческий продукт. Он должен быть массово произведён и соответствовать очень точным критериям производительности, — говорит Ингбер. Например, даже незначительные вариации в гидрогелях, используемых в качестве каркасов тканей в органных чипах, могут привести к совершенно разным моделям роста.
Рабочие процессы и процедуры также должны быть единообразными. Одно из препятствий к более широкому использованию платформ васкуляризированной опухоли на чипе при разработке методов лечения рака — это разные показатели, используемые различными исследовательскими группами для характеристики функции и геометрии кровеносных сосудов. Экспериментальные руководства, рабочие процессы, контрольные точки, метрики, критерии отчётности: всё это должно быть стандартизировано, чтобы исследователи могли сравнивать свою работу и сотрудничать между платформами. Члены лаборатории Ингбера обучают промышленных исследователей тому, как использовать чипы, разработанные Emulate, компанией, основанной Ингбером. Но даже с инструкциями им всё ещё нужна помощь в более тонких вопросах ухода за культурами стволовых клеток.
Когда NAM готова к коммерческому использованию и исследователи знают, как её использовать, наиболее важный тест — обеспечивает ли она клинический результат — остаётся. Чип органа редкого заболевания может быть надёжным, но являются ли биомаркеры, которые он измеряет, действительно актуальными? Если да, то являются ли алгоритмы, которые экстраполируют результаты чипа на эффекты препарата в организме, действительно предсказательными?
Такие вопросы были решены для некоторых NAM. Например, система печени-на-чипе от Emulate правильно пометила около семи из восьми препаратов, которые безопасно прошли тесты на животных, но оказались токсичными для печени человека. Аналогичное исследование провели исследователи Оксфордского университета и Janssen Pharmaceutica (позже переименованная в Johnson & Johnson Innovative Medicine). Эта команда показала, что их вычислительные модели клеток человеческого сердца определили соединения, вызывающие опасную сердечную аритмию, с точностью 89 процентов, по сравнению с исследованиями на животных с точностью 75 процентов.
Однако такие исследования являются сложными и дорогостоящими. Исследование Emulate потребовало 870 чипов и эквивалент 16 сотрудников, работающих полный день в течение 16 недель — усилия, находящиеся далеко за пределами возможностей средней лаборатории. Если исследователи захотят нормативное одобрение использовать свой чип для предсказания крупномолекулярных препаратов, а не мелкомолекулярных препаратов, которые они тестировали, им пришлось бы провести ещё одно такое исследование для этого конкретного использования. И сравнимые исследования остаются необходимыми для каждой коммерчески доступной NAM и каждого контекста, в котором они будут использоваться — огромное предприятие. «Это вызов, — говорит Кэти Арчибальд, основательница британской группы Safer Medicines Trust, считающей животных плохими моделями человеческой биологии. — Это занимает слишком много времени и стоит слишком много, и небольшие компании не могут себе это позволить».
Ингбер считает, что академические учёные должны больше сотрудничать с промышленными исследователями в области NAM, и что правительства должны финансировать эти проекты. Он и другие сторонники NAM также подчёркивают важность наличия необходимых данных: без информации из доклинических исследований на животных и клинических испытаний на людях сравнения затруднены, но большая часть этих данных сейчас является собственностью. Фармацевтические компании и регуляторы должны её обмениваться, говорят они, и FDA призвала к открытому репозиторию данных о токсичности лекарств. Хартунг из Университета Джонса Хопкинса также предложил проводить новые эксперименты на животных параллельно с NAM, создавая рядом расположенные сравнения.
Для Кристиана Маасса, вычислительного биолога немецкой биотехнологической компании ESQlabs, NAM давно пора сравнить с животными моделями. Его компания создаёт системы «цифровых двойников», в которых данные из систем органных чипов информируют целостные модели всего организма человека о результатах применения лекарств и развитии заболеваний. «Мне нравится то, что мы делаем, — говорит Маасс, говоря не только о своей компании, но и обо всей области. Но он добавляет, что исследователи ещё не предоставили «доказательства и подтверждение того, что мы делаем лучше или так же хорошо, как животные модели».
Маасс считает, что лобовые сравнения необходимы для хорошей науки. В конце концов, если NAM не превосходит животную модель или работает лучше всего как дополнение, а не замена, это должно быть известно. Он также считает, что такие исследования могли бы убедить скептиков. Маасс упоминает дебют iPhone, когда люди впервые увидели, насколько хорошо может работать телефон без кнопок. «Это был момент "ага!"» Но для NAM, «этот момент всё ещё отсутствует».
Изменение научных привычек
Даже когда эти лобовые сравнения проводятся и нормативные акты надлежащим образом изменяются, внедрение может быть медленным. В середине 1990-х годов исследователи разработали и валидировали тест активации моноцитов — анализ, использующий клетки человеческой крови для предсказания иммунного ответа — чтобы заменить тест на пирогены кроликов, который включает введение вещества в ухо кролика и мониторинг ректальной температуры животного. Но только в 2010 году Европейская фармакопея — официальный европейский стандарт такого тестирования — принял тест активации моноцитов как замену. И кролики по-прежнему широко используются для этого теста по всему миру.
Почему такой медленный темп изменений? Отчасти потому, что обновления руководящих документов, ссылающихся на тесты на животных, отстали, но также из-за инерции в культуре и учреждениях науки. «Формальное требование может исчезнуть, но неформальное ожидание сохраняется, — говорит Катрин Хёрманн, ветеринарный учёный и коллега Хартунга в Центре альтернатив тестированию на животных. Регуляторы, рецензенты грантов, рецензенты экспертизы, редакторы журналов — человеческая инфраструктура науки — часто всё ещё ожидают видеть данные на животных и незнакомы с NAM.
Хёрманн сейчас курирует опрос молодых исследователей, работающих или пытающихся перейти на NAM. «Мы постоянно слышим опасения, что предложения только с NAM воспринимаются как рискованные спонсорами, давление "добавить животный эксперимент" для достоверности, ограниченный доступ к инфраструктуре NAM и неопределённые траектории карьеры при отступлении от установленных моделей на животных, — говорит Хёрманн.
Животные модели встроены в базы данных, программы обучения и саму культуру исследований. Учёные, использующие животных, могут неохотно изменяться; их личность как исследователей привязана к животным и, более практически, они потратили свою карьеру на обучение технике. Токсиколог, использовавший крыс десятилетиями, может разумно с подозрением взглянуть, когда его попросят попробовать незнакомые куски полимера и стволовые клетки — особенно когда благополучие человека или миллионы долларов могут зависеть от выбора. Аналогично, академический учёный, чья карьера была построена на животных моделях, может не приветствовать NAM; переход может означать потерю рабочих мест для членов лаборатории, чья экспертиза больше не актуальна. «Я вижу, почему это сложно для людей взяться, — говорит Ингбер.
Образование и обучение жизненно важны, говорят сторонники NAM. NIH и FDA теперь предлагают ресурсы для исследователей, заинтересованных в NAM, так же как их коллеги в других странах, внедряющих технологии. Хёрманн помогает проводить вебинары, где исследователи и регуляторы учатся использовать и оценивать NAM; модули Хартунга на Coursera, платформе онлайн-обучения, взяли около 12 000 студентов. «Эти будущие специалисты создадут свои собственные лаборатории. Они пойдут в промышленность. Они заменят старую гвардию, — говорит Джозеф Ву, директор Кардиоваскулярного института Стэнфордского университета.
Ву также является сооснователем Greenstone Biosciences, компании, которая использует получаемые из стволовых клеток человеческие ткани и AI для моделирования заболеваний и предсказания ответов на лекарства. Он использовал эту должность, чтобы познакомить исследователей с NAM, помогая убедить руководителей компании свободно поделиться большой библиотекой клеточных линий Greenstone с любыми академическими исследователями, которые хотят их использовать. «Я действительно верю, что люди должны понимать, как работает эта платформа, — говорит Ву. — В конце концов, мы просто пытаемся продвинуть науку».
С достаточным временем — и финансированием, стимулами, обучением, образованием, сотрудничеством и сменой поколений — научная культура разработки лекарств и тестирования безопасности может измениться. Однако вопрос о том, будут ли NAM использоваться в других областях науки, остаётся открытым. На раннюю разработку лекарств и нормативное тестирование приходится примерно 30 процентов животных, используемых в экспериментах; остальное используется в базовых биологических исследованиях. Замена этих животных менее понятна, но может быть возможна: Ингбер описывает прозрения organ-on-a-chip, основанные на воспалительном заболевании кишечника, преждевременных родах и лечении вирусных инфекций, которые невозможно было бы сделать на животных. Хартунг называет внедрение NAM в токсикологии «маячной функцией», помогающей указать путь для других типов исследований.
«Вдруг все плотины открылись, — говорит он.