Каждый год более 100 миллионов животных используются в лабораторных экспериментах по всему миру science.rspca.org.uk. Тем не менее, несмотря на такой масштаб тестирования на животных, около 90% кандидатов в лекарства, которые кажутся перспективными на животных, в итоге проваливаются на испытаниях на людях cen.acs.org. На сцену выходит технология organ-on-a-chip — передовая альтернатива, цель которой имитировать человеческие органы на микрочипах и радикально улучшить тестирование лекарств без необходимости использования лабораторных животных. Эти крошечные устройства, выстланные живыми человеческими клетками, могут воссоздавать ключевые функции сердца, легких, печени и других органов, предлагая более релевантную для человека платформу для тестирования. Регуляторы и ученые обращают на это внимание: новые законы и политики поощряют безживотные методы, компании спешат разрабатывать системы organ-on-chip, а эксперты называют этот подход потенциальным game-changer for medicine and animal welfare. В этом отчете мы объясним, что такое технология organ-on-a-chip, как она работает, недавние научные прорывы, ее преимущества по сравнению с традиционным тестированием на животных, предстоящие вызовы, глобальные изменения в регулировании, активность индустрии и этические последствия будущего с animal-free drug testing.
Что такое технология organ-on-a-chip и как она работает?
organ-on-a-chip (OOC) — это миниатюрное устройство, часто размером с USB-накопитель или предметное стекло микроскопа, которое содержит крошечные полые каналы, выстланные живыми человеческими клетками, чтобы имитировать функции настоящего органа cen.acs.org, clarivate.com. По сути, исследователи помещают человеческие клетки (например, клетки легких, печени, мозга и т.д.) в микроинженерную камеру, которая обеспечивает 3D-среду, схожую с человеческим телом. Эти камеры являются частью микрофлюидной сети — крошечных каналов, по которым непрерывно поступают питательные вещества, кислород и биохимические сигналы, подобно тому, как кровь течет по сосудам nist.gov. Микрочип также может включать механические силы для имитации движений органа: например, lung-on-a-chip может ритмично растягивать и расслаблять клеточную мембрану, чтобы имитировать дыхательные движения gao.gov.
Устройства organ-on-a-chip — это не электронные кремниевые чипы, а прозрачные гибкие полимеры, в которых могут расти и взаимодействовать клетки. Они создают «миниатюрную физиологическую среду» для клеток, то есть клетки испытывают условия (ток жидкости, питание, механическое напряжение), схожие с теми, что существуют внутри настоящего человеческого органа nist.gov. Поскольку можно включать несколько типов клеток, органный чип может воспроизводить сложные тканевые интерфейсы. Например, легочный чип может иметь слой альвеолярных клеток с одной стороны пористой мембраны и клетки капиллярных кровеносных сосудов с другой, что позволяет им взаимодействовать так же, как в настоящем легком. Чип «печень-на-чипе» может включать гепатоциты (клетки печени) вместе с поддерживающими эндотелиальными клетками и иммунными клетками (клетки Купфера), чтобы имитировать микроархитектуру печени clarivate.com. Эти чипы поддерживаются в живом состоянии в инкубаторах, а с помощью датчиков или микроскопов можно наблюдать, как «мини-орган» реагирует на лекарства, химические вещества или условия болезни в реальном времени.
Путем имитации микроокружения человеческого органа органные чипы позволяют исследователям напрямую наблюдать реакции человеческих клеток без риска для живого человека или животного nist.gov. На практике они служат мостом между традиционными in vitro тестами (клетки в чашке Петри) и in vivo тестами (на животных), предоставляя контролируемую тестовую систему на основе человеческих клеток. «Это называется organ-on-a-chip, и это включает выращивание настоящей ткани человеческого органа на небольшой структуре, которая имитирует то, что эта ткань испытывала бы внутри тела», — объясняет доклад Национального института стандартов и технологий США nist.gov. Ожидается, что эти чипы будут точнее, чем животные модели, предсказывать, как лекарство повлияет на человеческие органы. Ученые уже создали чипы для многих отдельных органов — легких, печени, сердца, почек, кишечника, мозга, кожи и других, каждый из которых воспроизводит ключевые аспекты биологии этого органа clarivate.com.
Примечательно, что исследователи также объединяют несколько органных чипов вместе, чтобы смоделировать более крупные участки человеческой физиологии. Эти мультиорганные «организм-на-чипе» системы соединяют микрофлюидный кровоток нескольких органных отсеков, так что выход одного чипа (например, метаболизм лекарства в печени) поступает на вход другого (например, влияние на сердце или почки) gao.gov. В одной из новаторских демонстраций команда из Колумбийского университета соединила четыре человеческие органные ткани (сердце, печень, кость и кожу) на одном чипе с циркулирующей жидкостью, имитирующей кровь, и иммунными клетками, фактически создав миниатюрную модель человеческой физиологии engineering.columbia.edu. Всё устройство было размером примерно со стекло для микроскопа, но при этом поддерживало жизнеспособность и взаимодействие тканей в течение нескольких недель — это важный шаг к моделированию сложных системных заболеваний вне организма. «Это огромное достижение для нас… наконец-то мы разработали платформу, которая успешно воспроизводит биологию взаимодействия органов в организме», — сказала руководитель проекта, профессор Гордана Вуньяк-Новакович engineering.columbia.edu. Такие достижения намекают на будущее, в котором «человек-на-чипе» может быть использован для тестирования того, как новое лекарство может повлиять на несколько органов до того, как его испытают на человеке или животном.
Недавние прорывы и научные достижения
Технология organ-on-a-chip быстро продвинулась от концепции к реальности за последнее десятилетие, и в последние годы были достигнуты замечательные прорывы. Одним из нашумевших достижений стало создание мультиорганных чипов, как упоминалось выше. В 2022 году учёные сообщили о первом мультиорганном чипе plug-and-play с несколькими зрелыми человеческими тканями, соединёнными сосудистым потоком engineering.columbia.edu. Эта система позволила разным органным тканям «общаться» друг с другом химически, так же, как это происходит в нашем организме. Важно, что все ткани были получены из одних и тех же человеческих стволовых клеток, что означает, что чип эффективно имитировал биологию конкретного пациента — открывая путь к по-настоящему персонализированному тестированию лекарств в будущем engineering.columbia.edu. Возможность поддерживать функциональность нескольких органов в течение недель на чипе — это огромный технический скачок; для этого потребовались инновационные решения, чтобы каждая ткань имела свою оптимальную среду, при этом продолжая обмениваться сигналами через общий «кровоток» на чипе engineering.columbia.edu. Этот прогресс привлёк внимание, поскольку позволяет моделировать сложные заболевания (например, распространение рака по нескольким органам или взаимодействие лекарств между сердцем и печенью), которые однорганные чипы не могут воспроизвести.Помимо мультиорганной интеграции, исследователи расширяют возможности моделей organ-on-a-chip и другими способами. Например, новые конструкции чипов всё чаще включают датчики и методы визуализации, которые позволяют непрерывно отслеживать реакции тканей (такие как электрическая активность сердечных клеток или уровень кислорода в лёгочном чипе) в реальном времени. Также наблюдается тенденция к интеграции искусственного интеллекта (ИИ) и вычислительных моделей с органными чипами. Алгоритмы ИИ могут помогать разрабатывать более предсказуемые эксперименты и анализировать сложные данные, которые генерируют органные чипы clarivate.com. В недавней статье отмечается, что достижения в области ИИ улучшают проектирование экспериментов и интерпретацию данных для organ-on-a-chip, что намекает на то, что умные алгоритмы могут оптимизировать использование этих чипов для более точного прогнозирования эффектов лекарств clarivate.com.
Учёные также исследуют методы 3D-биопечати для создания систем орган-на-чипе с ещё большей реалистичностью blogs.rsc.org. Биопечать позволяет создавать трёхмерные тканевые структуры (например, миниатюрные опухоли или участки сердечной мышцы), которые затем помещаются в чипы, сочетая преимущества тканевой инженерии и микрофлюидики. Тем временем предпринимаются усилия по достижению стандартизации в этой развивающейся области, чтобы результаты были сопоставимы между лабораториями. В начале 2024 года рабочая группа под руководством NIST опубликовала рекомендации по стандартизации дизайна и измерений орган-на-чипе, отметив, что многие группы использовали разные протоколы и даже терминологию, что затрудняло сравнение результатов nist.gov. Установив общие стандарты и лучшие практики, сообщество стремится ускорить развитие и обеспечить достаточную надёжность данных орган-на-чипе для их широкого применения.
Принципиально важно, что системы орган-на-чипе — это не просто лабораторные курьёзы: они уже приносят научные открытия и в некоторых случаях превосходят старые модели. Например, исследования показали, что органные чипы могут воспроизводить специфические для человека реакции на лекарства, которые были упущены при тестах на животных. В одном исследовании почка-на-чипе правильно предсказала токсичность лекарства для почек, которое казалось безопасным в испытаниях на животных, но впоследствии причинило вред людям clarivate.com. Другая команда, использовавшая кровеносный сосуд-на-чипе, смогла выявить склонность определённого антитела-лекарства вызывать опасные тромбы — побочный эффект, который обнаружился только в клинических испытаниях на людях, а не в тестах на животных, но модель на чипе успешно воспроизвела его clarivate.com. Такие прорывы служат доказательством того, что органные чипы могут выявлять лекарственные эффекты, которые традиционные методы упускают. Исследователи разработали модели орган-на-чипе для заболеваний от лёгочных инфекций до болезни Альцгеймера и рака, что позволяет проводить эксперименты на аналогах человеческих тканей при этих состояниях. Например, мозговые органоиды на чипе (иногда называемые «мини-мозгами на чипе») используются для изучения безопасности нейротропных препаратов: фармацевтическое исследование показало, что модель мини-мозга человека может надёжно выявлять нейротоксические побочные эффекты десятков известных лекарств cen.acs.org. Быстрый прогресс в таких микрофизиологических системах даёт учёным новые инструменты для изучения биологии и тестирования лечения способами, которые были невозможны всего несколько лет назад.
Преимущества по сравнению с традиционным тестированием на животных
Технология organ-on-a-chip предлагает огромные преимущества по сравнению с традиционным тестированием на животных, устраняя многие ограничения и проблемы, которые давно преследуют исследования на животных. Прежде всего, это вопрос релевантности для человека. Поскольку органные чипы используют настоящие человеческие клетки и воссоздают аспекты функционирования человеческих органов, их результаты часто более непосредственно применимы к пациентам. Для сравнения, даже лучшие животные модели могут отличаться от человека по критически важным параметрам. Лекарства, которые работают на мышах, часто оказываются неэффективными у людей, а опасные побочные эффекты могут не проявиться у животных из-за видовых различий. Фактически, около 9 из 10 кандидатов в лекарства, прошедших тесты на животных, в конечном итоге проваливаются на клинических испытаниях на людях по причинам безопасности или эффективности cen.acs.org. Такой высокий процент неудач ясно указывает на то, что животные модели являются несовершенными аналогами человеческой биологии. «Человеческий мозг невероятно сложен… У животных просто нет мозга, хоть сколько-нибудь похожего на человеческий», отмечает Алиф Салех, генеральный директор компании по производству органоидов на чипе. «Идея о том, что мозг мыши или крысы… может предсказать, как человеческий мозг отреагирует на определённое лекарство — это неубедительно» cen.acs.org. Тестируя ткани, полученные от человека, на органных чипах, исследователи могут получать результаты, которые лучше предсказывают, что произойдет с реальными пациентами, особенно для сложных, специфичных для человека органов, таких как мозг.Эти релевантные для человека данные имеют практическое значение для безопасности лекарств. Органные чипы уже продемонстрировали способность выявлять токсические эффекты, которые были пропущены при тестировании на животных. Например, исследование по использованию человеческой печени на чипе смогло выявить 87% известных лекарств, вызывающих повреждение печени у людей cen.acs.org, что значительно превосходит результаты тестов на животных. Чипы также могут включать клетки, специфичные для пациента (например, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки от больного пациента), что позволяет тестировать реакцию на лекарства на моделях, отражающих генетические и болезненные особенности реальных групп пациентов. Это может снизить риск неожиданных побочных реакций при выходе лекарства на клинические испытания.
Еще одним важным преимуществом является скорость и эффективность. Традиционные испытания лекарств на животных для проверки безопасности могут занимать годы и стоить миллионы долларов на одно соединение theregreview.org. Содержание колоний лабораторных животных, проведение длительных исследований и анализ результатов — это медленный и дорогостоящий процесс. Системы «орган-на-чипе» после настройки часто могут предоставлять данные быстрее и с меньшими количествами тестируемого препарата. Разрабатываются автоматизированные системы считывания и высокопроизводительные платформы чипов (с множеством параллельных микроорганных анализов на одной пластине) для гораздо более быстрого скрининга соединений по сравнению с использованием животных. Хотя технология все еще развивается, есть надежда, что набор чипов с человеческими органами когда-нибудь сможет заменить многомесячные исследования на животных более быстрыми in vitro тестами, экономя и время, и ресурсы при разработке лекарств. В исследовании, на которое ссылается FDA, компьютерные модели человеческих сердечных клеток предсказали определенные побочные эффекты на сердце с точностью 89%, тогда как тесты на животных — только с точностью 75% clarivate.com, что подчеркивает потенциал новых методов не только быть быстрее, но и точнее, чем «золотой стандарт» тестирования на животных. По мере совершенствования моделей «орган-на-чипе» они могут значительно сократить дорогостоящие неудачи на поздних этапах разработки лекарств, выявляя проблемные соединения на ранних стадиях.
С этической и социальной точки зрения сокращение использования животных само по себе является значительным преимуществом. Каждый год бесчисленное количество крыс, мышей, собак, приматов и других животных жертвуется в лабораториях, часто испытывая боль или страдания theregreview.org, science.rspca.org.uk. Замена даже части этих испытаний исследованиями на органах-на-чипе означает меньшее количество пострадавших чувствующих существ. Это соответствует давнему принципу «3R» в науке (замещение, сокращение, совершенствование использования животных) clarivate.com. Общество все чаще требует методов тестирования без жестокости — эта тенденция отражается в давлении со стороны потребителей и законодательстве (например, запрет ЕС на косметику, тестируемую на животных, и новые законы, поощряющие альтернативы в тестировании лекарств). Технология «орган-на-чипе» напрямую отвечает на этический призыв заменить эксперименты на животных гуманными альтернативами без ущерба для безопасности. На самом деле, это обещает выигрыш для всех: лучшую защиту для людей и для животных. Тестирование на животных также ограничено этическими рамками, которых нет у чипов, имитирующих человека: исследователи теоретически могут использовать органные чипы для изучения более высоких доз или более рискованных сценариев, которые никогда не могли бы быть этично реализованы на животных или людях, что потенциально позволяет более полно выявлять опасности.
Наконец, органные чипы могут фиксировать аспекты человеческой биологии, которые часто недоступны при испытаниях на животных. Они позволяют непосредственно наблюдать реакции человеческих клеток под микроскопом или с помощью датчиков, что невозможно внутри живого организма животного. Исследователи могут наблюдать, как иммунные клетки перемещаются через стенку кровеносного сосуда на чипе, или измерять в реальном времени высвобождение воспалительных сигналов из клеток легких при воздействии токсина. Такой уровень детализации помогает понять механизмы действия лекарств и заболеваний, предоставляя более богатые данные по сравнению с грубыми конечными точками многих тестов на животных. Более того, органные чипы можно сконструировать так, чтобы они отражали разнообразие человеческих популяций, используя клетки от разных доноров — в том числе с определенными генетическими особенностями или заболеваниями, — что позволяет решить проблему, что животные модели не отражают генетическое разнообразие человека. Все эти преимущества говорят о том, что по мере развития системы organ-on-a-chip могут не только снизить зависимость от животных, но и открыть новую эру более предсказуемого, гуманного и информативного тестирования лекарств.
Ограничения и проблемы
Несмотря на свой захватывающий потенциал, технология organ-on-a-chip по-прежнему сталкивается с существенными проблемами и ограничениями, которые необходимо преодолеть, чтобы она полностью оправдала свои обещания. Одна из непосредственных проблем заключается в том, что на сегодняшний день органные чипы не могут полностью заменить тестирование на животных в процессе одобрения лекарств gao.gov. Обычно их используют вместе с животными и другими методами, а не вместо них. На это есть несколько причин. Во-первых, человеческая биология чрезвычайно сложна — воспроизвести целый живой организм на чипе гораздо сложнее, чем смоделировать один или два органа в изоляции. Большинство современных органных чипов фокусируются на одном органе или небольшой сети тканей. Им не хватает полной системной взаимосвязи, присутствующей в организме в целом (например, гормональной регуляции между органами или взаимодействия мозга с другими системами). Даже самые продвинутые мультиорганные чипы на сегодняшний день включают лишь несколько типов органов, что, хотя и впечатляет, все же не дотягивает до полной симуляции человеческого тела. Как отмечается в недавнем обзоре, полностью воспроизвести сложные взаимодействия внутри живого организма чрезвычайно сложно, и поэтому конец тестирования на животных, хотя и реалистичен в будущем, «может быть медленным», пока эти технологии не смогут отразить такую сложность clarivate.com.
Технические проблемы также значительны. Создание надёжного, воспроизводимого органа-на-чипе — задача не из простых: для этого требуются знания в области клеточной биологии, микроинженерии и биоматериалов. Одна из проблем, с которой сталкиваются исследователи, — получение надёжных человеческих клеток высокого качества. Многие органные чипы используют клетки, полученные из стволовых клеток или донорских тканей, но их качество может варьироваться. Эксперты оценивают, что только около 10–20% полученных человеческих клеток имеют достаточно высокое качество для использования в исследованиях на органных чипах gao.gov. Клетки могут недолго выживать или вести себя неестественно на чипе, особенно если они получены из разных источников. Это затрудняет обеспечение воспроизводимости. Кроме того, в области пока отсутствует стандартизация. Разные лаборатории и компании используют различные материалы, конструкции каналов, типы клеток и методы считывания данных для своих чипов nist.gov. В результате результаты, полученные на одной модели органа-на-чипе, могут быть не напрямую сопоставимы с результатами другой, даже если они номинально представляют один и тот же орган. Отсутствие стандартизированных протоколов и эталонов мешает более широкому внедрению, поскольку фармацевтическим компаниям и регуляторам необходима уверенность в том, что конкретный тест на чипе надёжен и воспроизводим. Предпринимаются усилия для решения этой проблемы: например, в 2023 году учёные и регуляторы провели рабочие встречи для определения критериев валидации методов органа-на-чипе и работы по гармонизации стандартов на глобальном уровне ema.europa.eu, nist.gov. Установление эталонных критериев (например, насколько точно печёночный чип должен предсказывать известные токсины) и квалификация чипов для конкретных «контекстов использования» (например, почечный чип для скрининга нефротоксичности) — это активные направления работы.
Ещё одна проблема — масштабируемость и производительность. Хотя некоторые чипы уже производятся в крупносерийных форматах, многие системы органа-на-чипе по-прежнему фактически изготавливаются вручную в академических лабораториях или небольших стартапах. Производство их в больших масштабах с постоянным качеством и одновременное использование множества чипов для крупных исследований — задача непростая. Для того чтобы фармацевтические компании могли регулярно использовать эту технологию, она должна стать более удобной и промышленной. Автоматизация работы с жидкостями, визуализация и анализ данных для экспериментов на чипах всё ещё совершенствуются. Стоимость также может быть ограничивающим фактором: в настоящее время организация анализов на органах-на-чипе может быть дороже и занимать больше времени, чем некоторые более простые лабораторные тесты. По данным Счётной палаты США, некоторые исследования на органах-на-чипе стоят дороже и занимают больше времени, чем традиционные исследования на животных или в клеточных культурах, по крайней мере на ранних этапах gao.gov. Со временем стоимость может снизиться благодаря совершенствованию производства и более широкому применению, но пока бюджетные ограничения означают, что чипы используются выборочно.
Интерпретация и валидация данных представляют собой дополнительные трудности. Регуляторам и отраслевым учёным необходимо убедиться, что результаты, полученные с помощью органа-на-чипе, действительно соответствуют человеческим результатам. Для этого требуются обширные валидационные исследования, сравнивающие прогнозы чипов с реальными клиническими данными и с результатами на животных. На данный момент отрасль всё ещё собирает такие доказательства. В отчёте GAO отмечается, что отсутствие хорошо задокументированных эталонов и валидационных исследований затрудняет для конечных пользователей определение степени доверия к результатам конкретного органа-на-чипе gao.gov. Например, если чип печени показывает, что препарат безопасен, насколько мы можем быть уверены, что он не вызовет повреждения печени у человека? Для формирования такого доверия потребуется время и множество исследований. Компании также могут неохотно делиться данными открыто — часто по конкурентным или патентным причинам — что замедляет коллективное обучение gao.gov. Более активный обмен данными и сотрудничество, возможно, через консорциумы или государственно-частные партнёрства, помогли бы отрасли развиваться быстрее.
Наконец, существуют регуляторные неопределённости. Поскольку орган-на-чипе — это новая технология, многие регуляторы только начинают с ней знакомиться. Руководства по использованию данных чипов в заявках на лекарства только сейчас разрабатываются. FDA и другие агентства исторически полагались на данные на животных, и изменение этих устоявшихся практик требует тщательного обсуждения. По состоянию на начало 2025 года эксперты отмечали, что у регуляторов «ниже уровень знакомства с OOC, чем с другими методами», и что рекомендации от агентств могли бы быть более чёткими gao.gov. Это начинает меняться (как мы обсудим в следующем разделе), но до тех пор, пока не будут установлены формальные рамки, некоторые разработчики лекарств могут не спешить инвестировать в орган-на-чипе, не зная, как регуляторы воспримут эти данные. В целом, хотя системы орган-на-чипе обладают огромным потенциалом, они пока не являются волшебной палочкой. Сохраняются значительные научные и практические проблемы, связанные с тем, чтобы сделать их надёжными, заслуживающими доверия и широко применимыми. Преодоление этих трудностей потребует дальнейших НИОКР, инвестиций и тесного сотрудничества между учёными, индустрией и регуляторами — но прогресс уже идёт.
Глобальные регуляторные изменения
Регулирующие органы по всему миру признают потенциал organ-on-a-chip и связанных с этим неживотных методов тестирования, и они начали обновлять политику, чтобы учитывать и поощрять эти инновации. В Соединённых Штатах важное изменение произошло с принятием FDA Modernization Act 2.0 в конце 2022 года. Этот двухпартийный закон отменил многолетнее требование о том, что все новые кандидаты на лекарственные препараты должны быть протестированы на животных перед началом испытаний на людях clarivate.com. Другими словами, теперь Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) может принимать альтернативные доклинические данные тестирования, включая данные из in vitro моделей, таких как organ-on-a-chip, вместо строгого требования проведения исследований на животных. Это стало огромной победой для сторонников исследований без использования животных, которые давно утверждали, что устаревшие правила мешают использованию более современных и эффективных методов. Как отметил представитель FDA, теперь агентство может одобрять препараты для клинических испытаний на людях, используя «неклинические тесты», такие как органные чипы, органоиды, компьютерные модели и другие подходы, а не полагаясь исключительно на данные, полученные на живых животных emulatebio.com, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov. Однако принятие закона — это только первый шаг: внедрение этой гибкости на практике происходит постепенно.Перенесёмся в 2025 год: FDA выразило ещё более решительную поддержку отказу от тестирования на животных. В апреле 2025 года FDA объявило о смелой дорожной карте по поэтапному отказу от многих тестов на животных в течение следующих 3–5 лет cen.acs.org. Агентство заявило, что его цель — сделать исследования на животных «скорее исключением, чем нормой» при оценке безопасности лекарств, начиная с определённых категорий продуктов, таких как препараты моноклональных антител, и распространяя это на все типы лекарств cen.acs.org. FDA даже предложило возможность ускоренного рассмотрения заявок на лекарства, в которых используются проверенные альтернативные методы вместо животных cen.acs.org. Представители отрасли назвали это переломным моментом. «Это ощущается как ключевой, исторический переломный момент», — сказал доктор Томаш Костжевский, главный научный сотрудник британской компании CN Bio, занимающейся органами-на-чипе, комментируя новый план FDA. «Это тот момент, когда FDA говорит: “Мы полностью привержены тому, чтобы двигаться вперёд и отказаться от животных в течение 3–5 лет.”» cen.acs.org. Этот чёткий и целенаправленный сдвиг в политике вдохновил индустрию органов-на-чипе — компании сообщили о немедленном росте интереса со стороны инвесторов и фармацевтических клиентов после объявления FDA cen.acs.org.
На другой стороне Атлантики Европа также движется к интеграции organ-on-a-chip в нормативно-правовую базу. В сентябре 2021 года Европейский парламент принял резолюцию с призывом к общеевропейскому плану действий, чтобы ускорить переход к инновациям без использования животных ema.europa.eu. Этот политический импульс подтолкнул европейских регуляторов к действиям. Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA) создало специальную рабочую группу 3Rs, которая в 2023 году начала работу по квалификации и валидации микрофизиологических систем (включая organ-on-chip) для нормативного использования ema.europa.eu. План работы EMA включает организацию семинаров с представителями промышленности и академического сообщества, определение критериев нормативного принятия для тестов organ-on-chip в конкретных контекстах (например, использование liver chip для оценки токсичности лекарств), а также даже международное сотрудничество для гармонизации этих критериев ema.europa.eu. На самом деле, регуляторы из США, Европы и других регионов создали «глобальный кластер» для координации новых методов и обмена знаниями по их оценке ema.europa.eu. Такая глобальная гармонизация важна — это означает, что агентства общаются друг с другом, чтобы, например, метод тестирования, принятый FDA, мог быть также принят EMA или японскими властями, и наоборот.
Европа также поддерживает альтернативные методы тестирования через такие институты, как EU Reference Laboratory for Alternatives to Animal Testing (EURL ECVAM), который уже много лет занимается исследованием и валидацией методов без использования животных clarivate.com. Импульс со стороны политики (Европейский парламент) и науки (EMA и ECVAM) говорит о том, что Европа закладывает основу для будущего одобрения данных по безопасности лекарств, полученных с помощью organ-on-a-chip моделей. Хотя по состоянию на 2025 год ни один крупный регулятор полностью не отказался от тестов на животных, направление явно ведет к будущему, где органные чипы и другие неиспользующие животных методы будут играть центральную роль в оценке безопасности.
Начинают появляться конкретные примеры того, как регулирующие органы принимают технологии organ-on-a-chip. В 2024 году биотехнологическая компания Argenx включила данные с MIMETAS liver-on-a-chip модели в заявку на разрешение на проведение клинических испытаний нового препарата (IND) в FDA — по сообщениям, это один из первых случаев, когда данные organ-on-a-chip поддержали официальную регистрацию препарата mimetas.com. Тесты на organ-on-chip помогли продемонстрировать профиль безопасности нового препарата Argenx в системе, релевантной человеку, и это было принято регуляторами в качестве дополнительного доказательства. Генеральный директор MIMETAS, Йос Йооре, подчеркнул значимость этого события: «Используя передовые человеческие in vitro модели вместо традиционных методов, таких как 2D-культура клеток и животные модели, мы можем преодолеть критический разрыв на пути к созданию новых терапий.» mimetas.com Этот случай иллюстрирует, как регуляторные изменения (например, FDA Modernization Act) воплощаются в реальных приложениях, и компании достаточно уверены, чтобы включать результаты organ-on-chip в свои пакеты документов для одобрения.
В ближайшие годы можно ожидать появления более формальных руководящих документов. У FDA есть инициатива Advancing Alternative Methods, которая предоставляет ресурсы и финансирование для разработки и квалификации таких методов, как organ chips clarivate.com. EMA, как уже отмечалось, работает над подготовкой руководящих документов. Агентства по регуляторной науке также финансируют исследования по прямому сравнению результатов на животных с результатами organ-on-chip, чтобы создать доказательную базу, необходимую для более широкого признания. Стоит отметить, что регуляторы, вероятно, будут действовать осторожно: на ранних этапах применения organ chips могут использоваться как дополнение к данным на животных (для получения дополнительной информации или сокращения числа используемых животных, а не для их полного замещения). Но если эти методы продолжат доказывать свою эффективность, можно предположить, что для некоторых тестов — например, на гепатотоксичность или раздражение кожи — organ-on-a-chip может стать официально признанной заменой тесту на животных. Траектория уже определена: в глобальном масштабе регуляторная среда меняется, чтобы приветствовать инновационные методы тестирования лекарств, не зависящие от животных. 2020-е годы становятся десятилетием, когда organ-on-a-chip переходит из лаборатории в признанную часть процесса одобрения лекарств.
Коммерческие игроки и рыночная активность
С растущим научным подтверждением и поддержкой со стороны регулирующих органов, область орган-на-чипе переживает всплеск активности со стороны инновационных стартапов, академических спин-оффов и даже крупных компаний. Вокруг проектирования и поставки этих платформ «орган-на-чипе» для фармацевтических и исследовательских организаций сформировалась небольшая, но быстро растущая индустрия. Возможно, самым известным игроком является Emulate, Inc. — компания из Бостона, возникшая из Института Висса при Гарварде (группа, которая впервые создала легкое-на-чипе). Emulate выпускает линейку органных чипов (печень, кишечник, легкое, мозг и др.) и находится в авангарде коммерциализации этой технологии. По словам генерального директора Emulate, интерес к их органным чипам резко возрос недавно — после того, как FDA объявило о своем плане сократить тестирование на животных, Emulate «получала запросы от потенциальных клиентов» и даже слышала от инвесторов, желающих вложить больше средств в компанию cen.acs.org. Это явный признак того, что рынок ожидает роста спроса на решения орган-на-чипе по мере того, как фармацевтическая отрасль меняет свои стратегии разработки.Emulate — не единственная; несколько других компаний также добились успеха. CN Bio, британская компания, предлагает системы орган-на-чипе и разработала мультиорганную платформу (часто называемую «микрофизиологической системой»), которая может соединять печень с другими органными модулями. CN Bio активно участвует в партнерских проектах и публикует валидационные исследования своих печеночных чипов для тестирования токсичности. MIMETAS из Нидерландов — еще один лидер, известный своей технологией OrganoPlate®, которая по сути представляет собой микрофлюидную пластину, содержащую множество миниатюрных моделей органов для высокопроизводительного скрининга. MIMETAS заключила соглашения о сотрудничестве с крупными фармацевтическими компаниями; например, в 2023 году она вступила в стратегическое партнерство с Astellas Pharma для использования моделей орган-на-чипе в исследованиях противораковых препаратов mimetas.com. Mimetas также сотрудничала с биотехнологической компанией Argenx, как уже упоминалось, предоставляя данные орган-на-чипе для подачи IND — это важный этап, демонстрирующий коммерческую значимость их платформы mimetas.com.
В Соединённых Штатах Hesperos, Inc. (стартап из Флориды, соучреждённый пионером-исследователем Майклом Шулером) специализируется на мультиорганных системах и предлагает услуги по тестированию с использованием своих моделей «человек-на-чипе». Сообщается, что Hesperos сотрудничала с крупными фармацевтическими компаниями, такими как Sanofi, AstraZeneca и Apellis, чтобы проводить скрининг кандидатов в лекарства на безопасность и эффективность с помощью своих мультиорганных чипов cen.acs.org. Эти партнёрства с известными фармацевтическими фирмами свидетельствуют о том, что даже крупные компании оценивают данные орган-на-чипе наряду с традиционными исследованиями. Ещё одна заметная американская компания — AxoSim, специализирующаяся на моделях нервной системы и мозга (таких как «мини-мозги» и платформы nerve-on-chip) для тестирования неврологических эффектов; они также привлекли биотехнологических клиентов, заинтересованных в оценке нейротоксичности без использования животных моделей cen.acs.org.
В сектор орган-на-чипе также входят такие компании, как TissUse (Германия), предлагающая платформу «мультиорганный биореактор», и Nortis (США), известная своими микрофлюидными сосудистыми чипами. Даже крупные контрактные исследовательские организации (CRO), такие как Charles River Laboratories, начали инвестировать в технологию орган-на-чипе или сотрудничать с компаниями в этой области criver.com (так как ожидают, что клиенты будут запрашивать такие анализы). Короче говоря, формируется экосистема производителей, поставщиков услуг и партнёров.
Рынок орган-на-чипе имеет очень многообещающую траекторию. Хотя сегодня он всё ещё относительно мал в денежном выражении, его рост идёт быстрыми темпами. По оценкам исследовательских отчётов, мировой рынок орган-на-чипе составлял порядка ~$150 миллионов в начале 2020-х годов, но прогнозируется взрывной рост (30–40% ежегодно) в ближайшие годы grandviewresearch.com. Некоторые прогнозы ожидают, что рынок достигнет почти $1 миллиарда к концу этого десятилетия grandviewresearch.com, чему способствует растущее внедрение в разработке лекарств, токсикологических исследованиях и академической науке. Этот рост обусловлен не только спросом со стороны фармы, но и финансированием государственных инициатив и исследовательских грантов, направленных на совершенствование методов тестирования. Например, такие агентства, как Национальные институты здравоохранения США (NIH), финансировали программы «Tissue Chip» для разработки моделей орган-на-чипе для изучения болезней и даже отправляли некоторые из этих чипов на Международную космическую станцию для экспериментов в условиях микрогравитации (расширяя спектр применения технологии).
Интерес инвесторов к стартапам в области органа-на-чипе также растет. Венчурные и корпоративные инвесторы видят потенциал этих технологий для революции в отдельных сегментах рынка доклинических исследований, объем которого превышает 180 миллиардов долларов. Например, компания Emulate привлекла значительные инвестиции и заключила сделки на поставку чипов для тестирования безопасности лекарств (одним из партнерств была компания Moderna, использовавшая печень-на-чипе Emulate для оценки безопасности липидных наночастиц, применяемых для доставки мРНК-вакцин) cen.acs.org. По мере того как регулирование все больше благоприятствует неиспользованию животных, фармацевтические компании могут вкладывать больше ресурсов в тестирование на органах-на-чипе, чтобы опережать конкурентов, что еще больше стимулирует рынок.
Конечно, вместе с возможностями приходят конкуренция и некоторые трудности роста. Компаниям необходимо доказать, что их конкретные модели органа-на-чипе надежны и научно обоснованы. Часто они тесно сотрудничают с регулирующими органами для квалификации своих устройств. Сообщалось о случаях, когда небольшие компании в области органа-на-чипе сталкивались с трудностями в финансировании, особенно если они зависели от государственных контрактов, которые могут быть нестабильными cen.acs.org. Тем не менее, общая тенденция такова, что коммерческая активность усиливается. В этой области также наблюдается слияние дисциплин — биотехнологические компании нанимают микроинженеров, специалистов по программному обеспечению и биологов для совершенствования этих продуктов. По мере появления новых успешных примеров (например, когда лекарство, разработанное с помощью органа-на-чипе, выходит на рынок), это будет еще больше подтверждать бизнес-ценность этой технологии. В целом, индустрия органа-на-чипе переходит от нишевого, новаторского этапа к более зрелой фазе масштабирования и интеграции в основное направление разработки лекарств, чему способствует благоприятная регуляторная и общественная поддержка.
Этические и социальные аспекты
Рост технологий organ-on-a-chip несет глубокие этические и социальные последствия, в основном очень положительные, но также с некоторыми вопросами относительно того, как мы проводим биомедицинские исследования. С этической точки зрения самым очевидным преимуществом является возможность значительно сократить (и в конечном итоге устранить) использование животных в тестировании лекарств и исследованиях. Это решает давнюю этическую проблему: традиционное тестирование лекарств требовало жертвовать бесчисленными животными, вызывая опасения по поводу их благополучия. Замена этих тестов чипами на основе человеческих клеток означает, что гораздо меньше животных будет подвергаться экспериментам. Организации по защите животных приветствовали эту тенденцию – когда FDA объявило о своем отказе от тестов на животных, группы по защите прав животных были среди самых громких сторонников этого решения cen.acs.org. Общественность также все больше обеспокоена тем, как тестируются продукты. Опросы показывают, что потребители предпочитают этически полученные продукты и оказывают давление на законодателей по вопросу тестирования на животных theregreview.org. Переход к organ-on-a-chip отчасти является ответом на этот общественный запрос на инновации без жестокости. Это дает реальный ответ на вопрос: «Если не на животных, то как?» – демонстрируя, что мы можем обеспечивать безопасность и научную строгость без вреда для животных.
Еще одно этическое измерение — это справедливость и человеческая релевантность исследований. Мы часто забываем, что зависимость от животных моделей опасна не только для людей, но и может быть несправедливой по отношению к пациентам, если она задерживает или искажает разработку лекарств. Например, если лекарство от человеческой болезни не сработает на животных и будет отложено, человечество теряет из-за того, что биология другого вида не совпадает с нашей. И наоборот, небезопасный препарат может пройти тесты на животных и затем навредить добровольцам в клинических испытаниях. Organ-on-a-chip решает эту проблему, фокусируясь на человеческой биологии с самого начала, что потенциально ведет к более безопасным испытаниям и меньшему количеству трагедий. Предоставляя более предсказуемые данные, технология может избавить человеческих добровольцев от воздействия препаратов, которые все равно бы провалились. В этом смысле органные чипы приносят пользу обществу, повышая безопасность клинических исследований – меньше участников испытаний подвергаются риску – и, возможно, ускоряя разработку лекарств (так как неэффективные соединения можно отсеять раньше, а перспективные выявить с большей уверенностью).
Переход к технологиям organ-on-a-chip и аналогичным методам также имеет последствия для научного сообщества и рабочей силы. По мере того как тестирование на животных становится менее центральным, исследователям понадобятся новые навыки (например, тканевая инженерия, микрофлюидика и вычислительный анализ) для использования и разработки этих передовых in vitro систем. Может произойти культурный сдвиг в лабораториях и образовании: будущие токсикологи и фармакологи смогут обучаться на чипах, имитирующих человека, вместо того чтобы осваивать хирургические навыки на лабораторных животных. Это может способствовать формированию более человеко-ориентированного мышления в исследованиях с самого начала. С этической точки зрения, многие молодые ученые с энтузиазмом относятся к методам, не требующим причинения вреда животным, поэтому органные чипы могут сделать карьеру в биомедицине более привлекательной для тех, кто выступает против использования животных. Тем не менее, необходимо внимательно управлять переходом для тех, чье благосостояние в настоящее время зависит от исследований на животных (например, заводчики лабораторных животных или некоторые лаборанты). Со временем ресурсы можно будет перенаправить – например, помещения, ранее предназначенные для содержания животных, можно переоборудовать в лаборатории по культивированию тканей. Есть надежда, что научный прогресс будет идти рука об руку с этическим прогрессом, и organ-on-a-chip предоставляет для этого путь.Существуют также более широкие общественные вопросы, которые необходимо учитывать. Если organ-on-a-chip и родственные технологии (такие как органоиды и компьютерные модели) станут нормой, обществу потребуется обеспечить, чтобы регуляторные и правовые рамки были обновлены в соответствии с прогрессом. Например, как устанавливать ответственность, если лекарство одобрено на основе нового метода, а затем проявляет непредвиденные эффекты? Гарантия того, что методы organ-on-chip должным образом валидированы, помогает снизить такие риски. Некоторые этики утверждают, что по мере внедрения моделей, основанных на человеке, нам также следует пересмотреть, как мы определяем стандарты безопасности и эффективности – возможно, повысить их, поскольку у нас появятся более точные инструменты. В глобальном масштабе важен вопрос справедливого доступа к этим технологиям: развивающиеся страны могут не иметь ресурсов для быстрого внедрения высокотехнологичного тестирования на органных чипах, поэтому может возникнуть необходимость в международной поддержке или передаче технологий, иначе может появиться разрыв, при котором только некоторые страны изначально откажутся от тестирования на животных.
С точки зрения общественных ценностей, переход к тестированию без животных отражает растущее сострадание и уважение к другим живым существам. Это созвучно идее о том, что научный прогресс не должен достигаться ценой ненужных страданий. Если технология organ-on-a-chip окажется успешной, она может стать предметом общественной гордости и поддержки, подобно космической гонке или другим масштабным научным достижениям, поскольку решает моральную дилемму и одновременно продвигает науку. Возможно, в будущем медицинские прорывы будут прославляться не только за спасение человеческих жизней, но и за то, что они не приводят к гибели животных. Уже сейчас в политических кругах используется риторика, в которой сокращение тестирования на животных рассматривается как признак прогресса и инноваций ema.europa.eu.
В заключение, этические и социальные последствия технологии organ-on-a-chip в основном являются преобразующими и положительными. Она предлагает будущее, в котором мы инновируем более гуманно, согласуя научные практики с меняющимися моральными ожиданиями общества. Конечно, ключевыми будут прозрачность и просвещение — общественность должна быть осведомлена об этих новых методах и уверена в их эффективности, чтобы сохранять доверие к способам тестирования лекарств. Если organ-on-a-chip оправдает свои обещания, мы можем оглянуться на тестирование на животных как на грубый, архаичный подход, подобный другим устаревшим практикам в истории медицины. Путь еще не завершён, но каждый шаг вперед в развитии organ-on-a-chip приближает нас к миру, где жизненно важные лекарства могут разрабатываться без жертв среди лабораторных животных, на благо как людей, так и животных.
Мнения экспертов и взгляд в будущее
Многие эксперты в области фармакологии, биоинженерии и этики оптимистично считают, что технология organ-on-a-chip сыграет центральную роль в будущем разработке лекарств. Доктор Дональд Ингбер, профессор Гарварда, возглавивший разработку первой «легкое-на-чипе», часто отмечает, что эти системы могут «преодолеть разрыв» между экспериментами в чашках Петри и живыми людьми так, как ничто другое не может. Он и другие подчеркивают, что органные чипы обеспечивают человеческий контекст для экспериментов — чего животные модели по своей природе лишены. По мере появления новых данных, подтверждающих эффективность, уверенность в этих системах растет. Лидеры отрасли, такие как Джим Корбетт из Emulate, отмечают, как быстро происходят изменения: «Это явный и целенаправленный сдвиг», — сказал Корбетт о новой позиции FDA, подчеркивая, что то, что раньше казалось футуристической идеей, теперь активно интегрируется в регуляторную науку cen.acs.org.
В то же время эксперты предупреждают, что мы должны быть реалистичными и строгими. Ни один метод не решит все проблемы, и organ-on-a-chip не является панацеей. Доктор Энтони Холмс из NC3Rs в Великобритании отметил, что сочетание методов — органные чипы, компьютерное моделирование, высокопроизводительные клеточные тесты — в совокупности заменят тесты на животных, и что ключом является сотрудничество. Это мнение разделяют и регуляторы, которые вовлекают заинтересованные стороны через семинары и рабочие группы nist.gov. Будущее, которое они видят, — это будущее «методологий нового подхода», работающих в комплексе для улучшения прогнозов. В этом будущем organ-on-a-chip рассматривается как ключевая технология, способная моделировать реакции человеческих органов, в то время как другие инструменты (например, вычислительные модели) могут моделировать системную физиологию или генетику. Вместе они могут сделать тесты на животных устаревшими.
Один из поразительных инсайтов из отрасли был озвучен генеральным директором Mimetas, который прокомментировал подачу IND, поддержанную их данными органа-на-чипе: раннее внедрение моделей, релевантных человеку, может ускорить разработку терапии mimetas.com. Это отражает более широкий сдвиг в мышлении – использование человеческой биологии в качестве тестовой платформы по умолчанию, а не опора на межвидовую экстраполяцию. Ожидается, что по мере появления новых успешных примеров (например, когда опасный побочный эффект лекарства был выявлен чипом или терапия была быстро разработана благодаря чипам), вся фармацевтическая парадигма перейдет к “человеко-ориентированным” моделям тестирования. Компании, которые адаптируются к этому, вероятно, получат конкурентное преимущество, смогут быстрее отсеивать неудачные препараты и сосредоточиться на перспективных кандидатах.Смотря в будущее, эксперты прогнозируют ряд захватывающих событий. Персонализированная медицина может получить мощный импульс благодаря органу-на-чипе: представьте, что берутся клетки пациента с определенным раком, на чипе выращивается микроопухоль вместе с собственными иммунными клетками пациента, а затем тестируется панель препаратов, чтобы выяснить, какой из них работает лучше – и всё это до начала лечения пациента. Это может стать реальностью и позволит подбирать лечение с беспрецедентной точностью. Исследователи также рассматривают интеграцию редактирования генов CRISPR с органами на чипе для моделирования генетических заболеваний и тестирования генной терапии. Еще одно направление – экологические и химические испытания: регулирующие органы, отвечающие за безопасность химикатов (не только лекарств), интересуются органами на чипе для тестирования косметики, пищевых добавок или промышленных химикатов на токсичность без использования животных. Например, EPA в США реализует инициативы по сокращению тестирования химикатов на животных к 2035 году, и орган-на-чипе, вероятно, станет частью этого решения.
В заключение, эксперты сходятся во мнении, что технология орган-на-чипе готова произвести революцию в подходах к тестированию лекарств и исследованию болезней, но для полного раскрытия её потенциала потребуется дальнейшая работа. Оптимизм сочетается с чувством ответственности: необходимо тщательно валидировать эти системы, обеспечивать их доступность и правильное использование, а также широко делиться знаниями. По мере развития этой области когда-то фантастическая идея разработки лекарств без тестирования на животных становится всё более реальной. Каждый крошечный микрофлюидный чип с живыми человеческими клетками – это и научный прорыв, и этический прогресс. Вместе они ведут нас к будущему более безопасного, быстрого и гуманного поиска лекарств – будущему, где лабораторные крысы, кролики и обезьяны больше не будут стандартными объектами тестирования, а человеческая биология на чипе станет основой спасения человеческих жизней.
Источники:
- Ingber, D. и др., Wyss Institute, Harvard – Human Organs-on-Chips Overview cen.acs.org
- U.S. GAO – Human Organ-on-a-Chip: Benefits Over Animal Testing, Challenges to Adoption (май 2025) gao.gov
- Уолрат, Р., Chemical & Engineering News (май 2025) – «Переход FDA от тестирования на животных открывает двери для производителей органоидов» cen.acs.org
- Лейк, Д., Lab on a Chip Blog (RSC) – «Прорывные технологии в Organ-on-a-Chip» (июль 2024) blogs.rsc.org
- Clarivate Analytics – «Вне тестирования на животных: рост популярности органов-на-чипе» (октябрь 2024) b clarivate.com
- NIST News – «Разработка стандартов для исследований Organ-on-a-Chip» (февраль 2024) nist.govnist.gov
- EMA 3Rs Working Party Report (2023) – Квалификация Organ-on-Chip для нормативного использования ema.europa.eu
- Columbia Engineering News – «Plug-and-Play Organ-on-a-Chip» (апрель 2022) engineering.columbia.edu
- Пресс-релиз Mimetas – Данные Organ-on-Chip в заявке FDA IND (июль 2024) mimetas.com
- RSPCA Science – Статистика использования животных в исследованиях science.rspca.org.uk
- The Regulatory Review (Penn Law) – «Пора ли прекратить тестирование на животных?» (январь 2024) theregreview.org
- C&EN / Biospace – Рынок тестирования на животных и уровень неудач cen.acs.org
