Человеческие лёгкие совершают десятки тысяч движений в день: при вдохе они расширяются, при выдохе — сокращаются. Эти движения повторяют и альвеолы — небольшие воздушные мешочки внутри легких. Однако их роль не ограничивается газообменом: движение альвеол влияет на рост и функцию клеток лёгких и служит важным сигналом при развитии воспаления. Поэтому для изучения причин лёгочных патологий и проверки эффективности лекарств необходимо воспроизводить это движение и в лабораторных условиях.
Здесь возникает проблема: в лаборатории клетки чаще всего растут на жёстких плоских поверхностях, а это далеко от реальных условий в организме. Технология «лёгкие на чипе» отчасти помогает — она имитирует движение и структуру ткани, но многие такие устройства сделаны из синтетического полимера PDMS, который ведёт себя иначе, чем живая ткань. Гидрогели ближе к биологическим материалам, но из них трудно сделать достаточно тонкие и прочные мембраны — они легко рвутся.
Команда Пхоханского университета науки и технологий решила эту задачу, вдохновившись мыльным пузырем. Исследователи использовали композитный гидрогель из полимеров и мономеров и сформировали из него чрезвычайно тонкую мембрану. Форму погружали в раствор, а затем извлекали, оставляя внутри тонкий слой материала. Получившаяся конструкция оказалась одновременно мягкой и эластичной, как ткань альвеол, и достаточно прочной для многократного растяжения.
Чтобы заставить мембрану «дышать», ученые воспроизвели механизм работы диафрагмы. При вдохе диафрагма опускается, давление внутри лёгких снижается и воздух поступает внутрь. Разработанная установка многократно создавала аналогичные перепады давления под мембраной, заставляя ее растягиваться и сокращаться. В результате модель стабильно работала на протяжении 240 тыс. циклов.
С помощью 3D-биопечати исследователи воспроизвели трёхслойную структуру альвеол: сосудистые клетки, базальную мембрану и эпителиальные клетки. В этой модели дыхательные движения передавались клеткам, а их реакция на вирус гриппа оказалась схожей с реакцией лёгочной ткани в организме. При этом воспалительный и противовирусный ответы зависели от того, совершала ли искусственная ткань движения, имитирующие дыхание.
По словам исследователей, технология может использоваться для изучения заболеваний лёгких и тестирования лекарств в условиях, которые ближе к физиологическим. В отличие от неподвижных клеточных культур, ученые могут отдельно регулировать частоту и глубину «дыхания» модели и воспроизводить разные состояния лёгких — от нормального до патологического.
