Щороку понад 100 мільйонів тварин використовуються у лабораторних експериментах по всьому світу science.rspca.org.uk. Проте, незважаючи на такий масштаб тестування на тваринах, близько 90% кандидатів у лікарські засоби, які здаються перспективними на тваринах, зрештою провалюються на випробуваннях за участю людей cen.acs.org. На сцену виходить технологія organ-on-a-chip — передова альтернатива, яка має на меті імітувати людські органи на мікрочіпах і докорінно покращити тестування ліків без необхідності використання лабораторних тварин. Ці крихітні пристрої, вистелені живими людськими клітинами, можуть відтворювати основні функції серця, легень, печінки та інших органів, пропонуючи більш релевантну для людини платформу для тестування. Регулятори та науковці звертають на це увагу: нові закони та політики заохочують не тваринні методи, компанії змагаються у розробці систем organ-on-chip, а експерти називають цей підхід потенційним переломним моментом для медицини та добробуту тварин. У цьому звіті ми пояснимо, що таке технологія organ-on-a-chip, як вона працює, останні наукові досягнення, її переваги над традиційним тестуванням на тваринах, виклики, що стоять попереду, глобальні регуляторні зміни, активність у галузі та етичні наслідки майбутнього з тестуванням ліків без тварин.
Що таке технологія Organ-on-a-Chip і як вона працює?
organ-on-a-chip (OOC) — це мініатюрний пристрій, часто розміром із USB-накопичувач або предметне скло мікроскопа, який містить крихітні порожнисті канали, вистелені живими людськими клітинами, щоб імітувати функції справжнього органа cen.acs.org, clarivate.com. По суті, дослідники поміщають людські клітини (наприклад, клітини легень, печінки, мозку тощо) у мікроінженерну камеру, яка забезпечує 3D-середовище, подібне до людського тіла. Ці камери є частиною мікрофлюїдної мережі — крихітних каналів, якими постійно циркулюють поживні речовини, кисень і біохімічні сигнали, подібно до того, як кров тече по судинах nist.gov. Мікрочіп також може імітувати механічні сили для відтворення рухів органу: наприклад, lung-on-a-chip може ритмічно розтягувати і стискати клітинну мембрану, щоб імітувати дихальні рухи gao.gov.
Пристрої «орган-на-чипі» — це не електронні кремнієві чипи, а прозорі гнучкі полімери, у яких можуть рости та взаємодіяти клітини. Вони створюють «мініатюрне фізіологічне середовище» для клітин, тобто клітини перебувають в умовах (рух рідини, живлення, механічний стрес), подібних до тих, що існують у справжньому людському органі nist.gov. Оскільки можна включати кілька типів клітин, орган-на-чипі може відтворювати складні тканинні інтерфейси. Наприклад, чип легень може мати шар альвеолярних клітин з одного боку пористої мембрани та клітини капілярних кровоносних судин з іншого, що дозволяє їм взаємодіяти так само, як у справжній легені. Чип печінки може містити гепатоцити (клітини печінки) разом із підтримуючими ендотеліальними клітинами та імунними клітинами (клітини Купфера), щоб імітувати мікроархітектуру печінки clarivate.com. Ці чипи підтримують живими в інкубаторах, а за допомогою сенсорів або мікроскопів можна спостерігати, як «міні-орган» реагує на ліки, хімічні речовини чи хворобливі стани в реальному часі.
Імітуючи мікросередовище людського органу, органи-на-чипі дозволяють дослідникам безпосередньо спостерігати реакції людських клітин без ризику для живої людини чи тварини nist.gov. На практиці вони слугують містком між традиційними in vitro тестами (клітини в чашці Петрі) та in vivo тестами (на тваринах), пропонуючи контрольовану систему тестування на основі людських клітин. «Це називається орган-на-чипі, і це передбачає вирощування справжньої тканини людського органу на невеликій структурі, яка імітує умови, у яких ця тканина перебувала б у тілі», — пояснюється у звіті Національного інституту стандартів і технологій США nist.gov. Сподіваються, що ці чипи зможуть точніше передбачати, як ліки впливають на людські органи, ніж тваринні моделі. Вчені вже створили чипи для багатьох окремих органів — легень, печінки, серця, нирок, кишечника, мозку, шкіри та інших — кожен з яких відтворює ключові аспекти біології цього органу clarivate.com.
Варто зазначити, що дослідники також поєднують кілька органних чипів разом, щоб імітувати більші частини людської фізіології. Ці багатоорганні “body-on-a-chip” системи з’єднують мікрофлюїдний кровотік кількох органних відсіків, тож вихід одного чипа (наприклад, метаболізм препарату печінкою) надходить на вхід іншого (наприклад, вплив на серце чи нирки) gao.gov. В одній із новаторських демонстрацій команда з Колумбійського університету з’єднала чотири людські органні тканини (серце, печінка, кістка та шкіра) на одному чипі із циркулюючою рідиною, що імітує кров, та імунними клітинами, фактично створивши мініатюрну модель людської фізіології engineering.columbia.edu. Увесь пристрій був розміром лише з предметне скло мікроскопа, але підтримував життєздатність і взаємодію тканин протягом кількох тижнів – це значний крок до моделювання складних системних захворювань поза тілом. “Це величезне досягнення для нас… нарешті ми розробили платформу, яка успішно відтворює біологію взаємодії органів у тілі,” – сказала керівниця проєкту, професорка Гордана Вуньяк-Новакович engineering.columbia.edu. Такі досягнення натякають на майбутнє, де “людина-на-чипі” може бути використана для тестування того, як новий препарат вплине на кілька органних систем ще до того, як його буде введено людині чи тварині.
Останні прориви та наукові досягнення
Технологія “орган-на-чипі” стрімко перейшла від концепції до реальності за останнє десятиліття, і в останні роки були досягнуті вражаючі прориви. Одним із гучних досягнень стало створення чипів з кількома органами, як згадувалося вище. У 2022 році вчені повідомили про перший модульний чип з кількома органами, у якому кілька зрілих людських тканин були з’єднані судинним потоком engineering.columbia.edu. Ця система дозволила різним тканинам органів “спілкуватися” між собою хімічно, так само, як це відбувається в нашому тілі. Важливо, що всі тканини були отримані з одних і тих самих людських стовбурових клітин, тобто чип ефективно імітував біологію конкретного пацієнта – відкриваючи шлях до справді персоналізованого тестування ліків у майбутньому engineering.columbia.edu. Здатність підтримувати функціональність кількох органів протягом тижнів на чипі є величезним технічним проривом; це вимагало інноваційних рішень, щоб забезпечити кожній тканині її оптимальне середовище, водночас дозволяючи обмін сигналами через спільний “кровотік” на чипі engineering.columbia.edu. Це досягнення привернуло увагу, оскільки воно дозволяє моделювати складні захворювання (наприклад, поширення раку через кілька органів або взаємодію ліків між серцем і печінкою), які чипи з одним органом не можуть відтворити.
Окрім інтеграції кількох органів, дослідники розширюють можливості моделей “орган-на-чипі” й іншими способами. Наприклад, у нових конструкціях чипів дедалі частіше використовують сенсори та методи візуалізації, які дозволяють безперервно відстежувати реакції тканин (наприклад, електричну активність клітин серця або рівень кисню в чипі легені) у реальному часі. Також спостерігається тенденція до інтеграції штучного інтелекту (ШІ) і комп’ютерних моделей з органними чипами. Алгоритми ШІ можуть допомогти розробляти більш прогностичні експерименти та аналізувати складні дані, які генерують органні чипи clarivate.com. У нещодавній статті зазначається, що досягнення у сфері ШІ покращують розробку експериментів і інтерпретацію даних для орган-на-чипі, що натякає на те, що розумні алгоритми можуть оптимізувати використання цих чипів для точнішого передбачення ефектів ліків clarivate.com.
Вчені також досліджують технології 3D-біодруку для створення органів-на-чипі з ще більшою реалістичністю blogs.rsc.org. Біодрук дозволяє створювати тривимірні тканинні структури (наприклад, мініатюрні пухлини або ділянки серцевого м’яза), які потім розміщують у чипах, поєднуючи переваги тканинної інженерії з мікрофлюїдними технологіями. Тим часом ведеться робота над досягненням стандартизації у цій новій галузі, щоб результати можна було порівнювати між лабораторіями. На початку 2024 року робоча група під керівництвом NIST опублікувала рекомендації щодо стандартизації дизайну та вимірювань органів-на-чипі, зазначивши, що багато груп використовували різні протоколи й навіть термінологію, що ускладнювало порівняння результатів nist.gov. Встановлюючи спільні стандарти та найкращі практики, спільнота прагне прискорити розвиток і забезпечити достатню надійність даних органів-на-чипі для широкого використання.
Важливо, що системи органів-на-чипі — це не просто лабораторні цікавинки: вони вже приносять наукові відкриття і в деяких випадках перевершують старі моделі. Наприклад, дослідження показали, що органи-на-чипі можуть відтворювати специфічні для людини реакції на ліки, які були пропущені під час тестування на тваринах. В одному дослідженні нирка-на-чипі правильно передбачила токсичність ліків для нирок, які здавалися безпечними у випробуваннях на тваринах, але згодом завдали шкоди людям clarivate.com. Інша команда, використовуючи кровоносну судину-на-чипі, змогла виявити схильність певного антитілового препарату викликати небезпечні тромби — побічний ефект, який виявився лише під час випробувань на людях, а не на тваринах, але чип-модель успішно його відтворила clarivate.com. Такі прориви є доказом того, що органи-на-чипі можуть виявляти ефекти ліків, які традиційні методи ігнорують. Дослідники розробили моделі органів-на-чипі для захворювань від легеневих інфекцій до Альцгеймера й раку, що дозволяє проводити експерименти на аналогах людських тканин цих станів. Наприклад, мозкові органоїдні чипи (іноді їх називають «міні-мозки на чипах») використовують для вивчення безпеки неврологічних препаратів: фармацевтичне дослідження показало, що модель людського міні-мозку може надійно виявляти нейротоксичні побічні ефекти десятків відомих ліків cen.acs.org. Швидкий прогрес у таких мікрофізіологічних системах дає вченим нові інструменти для дослідження біології та тестування лікувань способами, які ще кілька років тому були неможливі.
Переваги порівняно з традиційним тестуванням на тваринах
Технологія органів-на-чіпі пропонує величезні переваги порівняно з традиційним тестуванням на тваринах, вирішуючи багато обмежень і проблем, які давно переслідують дослідження на тваринах. Перш за все, це питання релевантності для людини. Оскільки органи-на-чіпі використовують справжні клітини людини і відтворюють аспекти функціонування людських органів, їх результати часто є більш безпосередньо застосовними до пацієнтів-людей. На відміну від цього, навіть найкращі тваринні моделі можуть відрізнятися від людей у критичних аспектах. Ліки, які працюють на мишах, часто неефективні для людей, а небезпечні побічні ефекти можуть не проявитися у тварин через видову різницю. Насправді, близько 9 з 10 кандидатів у лікарські засоби, які проходять тести на тваринах, зрештою провалюються на клінічних випробуваннях на людях через причини безпеки або ефективності cen.acs.org. Такий високий рівень невдач є вагомим свідченням того, що тваринні моделі є недосконалими замінниками людської біології. «Людський мозок неймовірно складний… У тварин просто немає мозку, який був би хоч трохи схожий на людський», зазначає Аліф Салех, генеральний директор компанії з органоїдів-на-чіпі. «Ідея, що мозок миші чи щура… може передбачити, як людський мозок відреагує на певний препарат – це не є достовірним» cen.acs.org. Тестуючи на тканинах, отриманих від людини, в органах-на-чіпі, дослідники можуть отримувати результати, які краще передбачають те, що відбудеться у реальних пацієнтів, особливо для складних, специфічних для людини органів, таких як мозок.
Ці релевантні для людини висновки мають реальні наслідки для безпеки лікарських засобів. Органи-на-чіпі вже продемонстрували здатність виявляти токсичні ефекти, які не були помічені у тварин. Наприклад, дослідження людської печінки-на-чіпі змогло ідентифікувати 87% відомих препаратів, що викликають ураження печінки у людей cen.acs.org, що значно перевищує результати тестів на тваринах. Чіпи також можуть включати клітини, специфічні для пацієнта (наприклад, індуковані плюрипотентні стовбурові клітини від хворого пацієнта), що дозволяє тестувати реакції на ліки на моделях, які відображають генетичні та захворювані особливості реальних груп пацієнтів. Це може зменшити ризик несподіваних побічних реакцій, коли препарат потрапляє у клінічні випробування.
Ще однією великою перевагою є швидкість і ефективність. Традиційні тести на тваринах для перевірки безпеки ліків можуть займати роки і коштувати мільйони доларів за одну сполуку theregreview.org. Утримання колоній лабораторних тварин, проведення тривалих досліджень і аналіз результатів — це повільний і дорогий процес. Системи «орган-на-чипі», після налаштування, часто можуть надавати дані швидше і з меншими кількостями тестованого препарату. Розробляються автоматизовані системи зчитування та високопродуктивні платформи чипів (з багатьма паралельними мікроорганними тестами на одній пластині), які дозволяють скринінг сполук значно швидше, ніж за допомогою тварин. Хоча технологія ще розвивається, є надія, що набір чипів з людськими органами зможе одного дня замінити багатомісячні дослідження на тваринах на швидші in vitro тести, заощаджуючи і час, і ресурси у розробці ліків. Дослідження, на яке посилається FDA, показало, що комп’ютерні моделі людських серцевих клітин передбачали певні побічні ефекти для серця з точністю 89%, у порівнянні з лише 75% точності у тестах на тваринах clarivate.com, що підкреслює потенціал нових підходів бути не лише швидшими, а й точнішими, ніж тваринний «золотий стандарт». У міру вдосконалення цих моделей «орган-на-чипі» вони можуть значно зменшити дорогі невдачі на пізніх етапах розробки ліків, виявляючи проблемні сполуки на ранніх стадіях.
З етичної та суспільної точки зору, зменшення використання тварин саме по собі є значною перевагою. Щороку незліченна кількість щурів, мишей, собак, приматів та інших тварин жертвуються у лабораторіях, часто зазнаючи болю чи страждань theregreview.org, science.rspca.org.uk. Заміна навіть частини цих досліджень на «орган-на-чипі» означає менше страждань для чутливих істот. Це відповідає давньому принципу «3R» у науці (Заміна, Зменшення, Вдосконалення використання тварин) clarivate.com. Суспільство дедалі більше вимагає безжорстоких методів тестування — ця тенденція відображається у споживчому тиску та законодавстві (наприклад, заборона в ЄС на косметику, протестовану на тваринах, і нові закони, що заохочують альтернативи у тестуванні ліків). Технологія «орган-на-чипі» безпосередньо відповідає на етичний заклик замінити експерименти на тваринах гуманними альтернативами, не жертвуючи безпекою. Насправді це обіцяє виграш для всіх: кращий захист для людей і для тварин. Тестування на тваринах також обмежене етичними нормами, яких не мають чипи, що імітують людину — дослідники можуть, теоретично, випробовувати на органних чипах вищі дози чи ризикованіші сценарії, які ніколи не можна було б етично провести на тваринах чи людях, потенційно виявляючи небезпеки більш комплексно.
Нарешті, органні чіпи можуть відтворювати аспекти людської біології, які тваринні тести часто не здатні охопити. Вони дозволяють безпосередньо спостерігати реакції людських клітин під мікроскопом або за допомогою сенсорів, що неможливо зробити всередині тіла живої тварини. Дослідники можуть спостерігати, як імунні клітини рухаються по стінці кровоносної судини на чіпі, або вимірювати в реальному часі вивільнення запальних сигналів із клітин легень при впливі токсину. Такий рівень деталізації допомагає зрозуміти механізми дії ліків і перебігу хвороб, надаючи більш багаті дані, ніж грубі кінцеві точки багатьох тваринних тестів. Більше того, органні чіпи можна сконструювати так, щоб вони представляли різноманітні людські популяції, використовуючи клітини від різних донорів – у тому числі з певними генетичними особливостями чи захворюваннями, – що вирішує проблему, коли тваринні моделі не відображають генетичне різноманіття людей. Усі ці переваги свідчать про те, що системи “орган-на-чіпі” у міру свого розвитку можуть не лише зменшити залежність від тварин, а й започаткувати нову еру більш передбачуваного, гуманного та інформативного тестування ліків.
Обмеження та виклики
Попри свій захопливий потенціал, технологія “орган-на-чіпі” все ще стикається з значними викликами та обмеженнями, які потрібно подолати, щоб вона повністю виправдала свої обіцянки. Однією з нагальних проблем є те, що на сьогодні органні чіпи не можуть повністю замінити тваринні тести у процесі затвердження ліків gao.gov. Зазвичай їх використовують разом із тваринами та іншими методами, а не замість них. Причин для цього кілька. По-перше, людська біологія надзвичайно складна – відтворити цілий живий організм на чіпі набагато складніше, ніж змоделювати один чи два органи окремо. Більшість сучасних органних чіпів зосереджені на одному органі або невеликій мережі тканин. Вони не мають повних системних взаємодій, притаманних цілісному організму (наприклад, гормональна регуляція між органами чи взаємодія мозку з іншими системами). Навіть найсучасніші багаторганні чіпи на сьогодні включають лише кілька типів органів, що, хоча й вражає, все ж не є повною симуляцією людського тіла. Як зазначено в нещодавньому огляді, повне відтворення складних взаємодій у живому організмі залишається надзвичайно складним завданням, і тому кінець тваринних тестів, хоча й є реальною перспективою на майбутнє, “може бути повільним”, доки ці технології не зможуть охопити цю складність clarivate.com.
Технічні виклики також є значними. Створення надійного, відтворюваного органа-на-чипі — це не просто: для цього потрібна експертиза в клітинній біології, мікроінженерії та біоматеріалах. Одна з проблем, з якою стикаються дослідники, — отримання надійних людських клітин високої якості. Багато органних чипів використовують клітини, отримані зі стовбурових клітин або донорських тканин, але вони можуть бути різними. Експерти оцінюють, що лише близько 10–20% отриманих людських клітин мають достатньо високу якість для використання в дослідженнях органів-на-чипі gao.gov. Клітини можуть не виживати довго або поводитися ненормально на чипі, особливо якщо вони походять з різних джерел. Це ускладнює забезпечення послідовності. Крім того, наразі у цій галузі бракує стандартизації. Різні лабораторії та компанії використовують різні матеріали, конструкції каналів, типи клітин і методи зчитування для своїх чипів nist.gov. У результаті результати одного органного чипа можуть бути безпосередньо не порівнювані з результатами іншого, навіть якщо вони номінально представляють той самий орган. Відсутність стандартизованих протоколів і еталонів гальмує ширше впровадження, оскільки фармацевтичні компанії та регулятори повинні бути впевнені, що певний тест на чипі є надійним і відтворюваним. Вживаються заходи для вирішення цієї проблеми: наприклад, у 2023 році вчені та регулятори провели семінари, щоб визначити критерії валідації для методів органів-на-чипі і працювати над гармонізацією стандартів у світі ema.europa.eu, nist.gov. Встановлення еталонних показників (наприклад, наскільки точно чип печінки повинен передбачати відомі токсини) і кваліфікація чипів для конкретних «контекстів використання» (наприклад, чип нирки для скринінгу нефротоксичності) є активними напрямками роботи.
Ще одна проблема — це масштабованість і пропускна здатність. Хоча деякі чипи вже виготовляються у форматах великого обсягу, багато систем органів-на-чипі досі фактично виготовляються вручну в академічних лабораторіях або невеликих стартапах. Виробництво їх у великих масштабах із стабільною якістю та одночасне використання багатьох чипів для великих досліджень — це непросте завдання. Технологія має стати більш зручною для користувача та індустріалізованою, щоб фармацевтичні компанії могли регулярно її впроваджувати. Автоматизоване управління рідинами, візуалізація та аналіз даних для експериментів на чипах ще вдосконалюються. Вартість також може бути обмежувальним фактором: наразі налаштування тестів орган-на-чипі може бути дорожчим і займати більше часу, ніж деякі простіші лабораторні тести. Управління з підзвітності уряду США зазначає, що деякі дослідження органів-на-чипі коштують дорожче і займають більше часу, ніж традиційні дослідження на тваринах або клітинних культурах, принаймні на цих ранніх етапах gao.gov. З часом витрати можуть знизитися завдяки кращому виробництву та ширшому використанню, але наразі бюджетні обмеження означають, що чипи використовуються вибірково.
Інтерпретація та валідація даних становлять додаткові труднощі. Регулятори та науковці з індустрії мають бути переконані, що результати органів-на-чипі точно корелюють із результатами у людей. Це вимагає проведення масштабних валідаційних досліджень, у яких прогнози чипів порівнюються з реальними клінічними даними та з дослідженнями на тваринах. Наразі галузь ще збирає ці докази. У звіті GAO було підкреслено, що відсутність добре задокументованих еталонів і валідаційних досліджень ускладнює для кінцевих користувачів визначення рівня довіри до результатів конкретного органа-на-чипі gao.gov. Наприклад, якщо чип-печінка стверджує, що препарат безпечний, наскільки ми можемо бути впевнені, що він не спричинить пошкодження печінки у людей? Для формування такої довіри потрібен час і численні дослідження. Компанії також можуть неохоче ділитися даними відкрито – часто з конкурентних чи інтелектуальних міркувань, – що уповільнює колективне навчання gao.gov. Збільшення обміну даними та співпраці, можливо, через консорціуми або державно-приватні партнерства, допомогло б галузі швидше розвиватися.
Нарешті, існують регуляторні невизначеності. Оскільки орган-на-чипі є новою технологією, багато регуляторів ще тільки знайомляться з нею. Керівні принципи щодо використання даних чипів у заявках на лікарські засоби лише зараз формулюються. FDA та інші агентства історично покладалися на дані з тварин, і зміна цих усталених практик вимагає ретельного обговорення. Станом на початок 2025 року експерти повідомляли, що регулятори мали “нижчий рівень обізнаності про OOC, ніж про інші методи” і що керівництво від агентств могло б бути чіткішим gao.gov. Це починає змінюватися (як ми обговоримо в наступному розділі), але поки не будуть встановлені формальні рамки, деякі розробники ліків можуть не поспішати інвестувати значні кошти в органи-на-чипі, не знаючи, як регулятори оцінять ці дані. Підсумовуючи, хоча системи орган-на-чипі мають величезний потенціал, вони ще не є чарівною паличкою. Ще залишаються значні наукові та практичні виклики для того, щоб зробити їх надійними, такими, яким довіряють, і широко застосовуваними. Подолання цих викликів вимагатиме подальших НДДКР, інвестицій і тісної співпраці між науковцями, індустрією та регуляторами – але прогрес уже йде повним ходом.
Глобальні регуляторні розробки
Регуляторні органи по всьому світу визнають потенціал органів-на-чипі та пов’язаних не-тваринних методів тестування, і вони почали оновлювати політики, щоб врахувати та заохотити ці інновації. У Сполучених Штатах знаковою зміною стало ухвалення FDA Modernization Act 2.0 наприкінці 2022 року. Цей двопартійний закон скасував багаторічну вимогу, згідно з якою всі нові кандидати на лікарські засоби мають тестуватися на тваринах перед початком випробувань на людях clarivate.com. Іншими словами, Управління з контролю за продуктами і ліками США (FDA) тепер може приймати альтернативні доклінічні дані тестування, включаючи дані з in vitro моделей, таких як орган-на-чипі, замість суворої вимоги до досліджень на тваринах. Це була велика перемога для прихильників досліджень без використання тварин, які давно стверджували, що застарілі регуляції заважають використанню сучасних, кращих методів. Як зазначив представник FDA, агентство тепер може дозволяти випробування ліків на людях, використовуючи «неклінічні тести», такі як органи-на-чипі, органоїди, комп’ютерні моделі та інші підходи, а не покладаючись виключно на дані з живих тварин emulatebio.com, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov. Однак ухвалення закону — лише перший крок; впровадження цієї гнучкості на практиці є поступовим процесом.Перенесімося у 2025 рік, і FDA демонструє ще сильнішу підтримку відмови від тестування на тваринах. У квітні 2025 року FDA оголосило сміливу дорожню карту поетапної відмови від багатьох тестів на тваринах протягом наступних 3–5 років cen.acs.org. Агентство заявило, що його мета — зробити дослідження на тваринах «винятком, а не нормою» при оцінці безпеки ліків, починаючи з певних категорій продуктів, таких як препарати моноклональних антитіл, і розширюючи це на всі типи ліків cen.acs.org. FDA навіть припустило, що може запропонувати прискорений розгляд заявок на ліки, у яких замість тварин використовуються валідовані альтернативні методи cen.acs.org. Представники галузі назвали це переломним моментом. «Це справді відчувається як ключовий, історичний переломний момент», — сказав доктор Томаш Костжевський, головний науковий співробітник CN Bio, британської компанії з розробки органів-на-чипі, коментуючи новий план FDA. «Це той момент, коли FDA каже: “Ми повністю налаштовані рухатися вперед і відмовитися від тварин у 3–5-річний термін.”» cen.acs.org. Ця чітка і цілеспрямована зміна політики надихнула індустрію органів-на-чипі — компанії повідомили про негайне зростання інтересу з боку інвесторів і фармацевтичних клієнтів після оголошення FDA cen.acs.org.
На іншому боці Атлантики Європа також рухається до інтеграції органів-на-чипі у регуляторну систему. У вересні 2021 року Європейський парламент ухвалив резолюцію із закликом до загальноєвропейського плану дій, щоб прискорити перехід до інновацій без використання тварин ema.europa.eu. Цей політичний імпульс спонукав європейських регуляторів до дій. Європейське агентство з лікарських засобів (EMA) створило спеціальну робочу групу 3Rs, яка у 2023 році розпочала зусилля щодо кваліфікації та валідації мікрофізіологічних систем (включаючи органи-на-чипі) для регуляторного використання ema.europa.eu. План роботи EMA включає організацію воркшопів з представниками індустрії та академічних кіл, визначення критеріїв регуляторного прийняття для тестів органів-на-чипі у конкретних контекстах (наприклад, використання печінкового чипа для оцінки токсичності ліків), а також навіть міжнародну співпрацю для гармонізації цих критеріїв ema.europa.eu. Насправді регулятори з США, Європи та інших регіонів створили «світовий кластер» для координації нових підходів і обміну знаннями щодо їх оцінки ema.europa.eu. Така глобальна гармонізація є важливою – це означає, що агентства спілкуються між собою, щоб, наприклад, метод тестування, прийнятий FDA, міг бути прийнятий і EMA чи органами влади Японії, і навпаки.
Європа також підтримує альтернативне тестування через такі інституції, як EU Reference Laboratory for Alternatives to Animal Testing (EURL ECVAM), яка вже багато років досліджує та валідує методи без використання тварин clarivate.com. Імпульс з політичного боку (Європейський парламент) і наукового боку (EMA та ECVAM) свідчить про те, що Європа закладає підґрунтя для майбутнього затвердження даних щодо безпеки ліків, отриманих з моделей органів-на-чипі. Хоча станом на 2025 рік жоден великий регулятор повністю не відмовився від тестів на тваринах, напрямок розвитку очевидний – це майбутнє, де органи-на-чипі та інші не тваринні аналізи відіграватимуть центральну роль у оцінці безпеки.
Конкретні приклади того, як регулятори приймають технологію органів-на-чипі, вже починають з’являтися. У 2024 році біотехнологічна компанія Argenx включила дані з моделі печінки-на-чипі MIMETAS до заявки на проведення клінічних випробувань нового лікарського засобу (IND) до FDA – за повідомленнями, це один із перших випадків, коли дані органів-на-чипі підтримали офіційну заявку на лікарський засіб mimetas.com. Тести органів-на-чипі допомогли продемонструвати профіль безпеки нового препарату Argenx у системі, релевантній для людини, і це було прийнято регуляторами як додатковий доказ. Генеральний директор MIMETAS, Йос Йооре, підкреслив значущість: «Завдяки впровадженню передових людських in vitro моделей замість традиційних методів, таких як 2D-клітинні культури та тваринні моделі, ми можемо подолати критичний розрив на шляху до впровадження нових терапій». mimetas.com Цей випадок ілюструє, як регуляторні зміни (наприклад, Закон про модернізацію FDA) втілюються у реальні застосування, і компанії впевнено подають результати органів-на-чипі у своїх пакетах для затвердження.
У найближчі роки можна очікувати появи більш формальних настанов. FDA має ініціативу Advancing Alternative Methods, яка надає ресурси та фінансування для розробки й кваліфікації таких методів, як органи-на-чипі clarivate.com. EMA, як зазначалося, працює над підготовкою керівних документів. Агенції регуляторної науки також фінансують дослідження для прямого порівняння досліджень на тваринах із результатами органів-на-чипі, щоб створити доказову базу, необхідну для ширшого прийняття. Варто зазначити, що регулятори, ймовірно, дотримуватимуться обережного підходу: на ранніх етапах органи-на-чипі можуть використовуватися як доповнення до даних на тваринах (для отримання додаткової інформації або зменшення кількості необхідних тварин, а не для повної їх заміни). Але якщо ці методи й надалі доводитимуть свою ефективність, можна уявити, що для певних тестів – наприклад, на гепатотоксичність або подразнення шкіри – орган-на-чипі може стати офіційно визнаною заміною тваринного тесту. Траєкторія визначена: глобально регуляторне середовище змінюється, щоб вітати інноваційні методи тестування ліків, які не залежать від тварин. 2020-ті формуються як десятиліття, коли орган-на-чипі переходить із лабораторного столу до визнаної частини процесу затвердження лікарських засобів.
Комерційні гравці та ринкова активність
Зі зростанням наукового підтвердження та підтримки з боку регуляторних органів, сфера органів-на-чипі переживає сплеск активності з боку інноваційних стартапів, академічних спін-офів і навіть відомих компаній. Невелика, але стрімко зростаюча індустрія сформувалася навколо розробки та постачання цих платформ “орган-на-чипі” для фармацевтичних і дослідницьких організацій. Можливо, найвідомішим гравцем є Emulate, Inc., компанія з Бостона, що виникла з Інституту Вісса при Гарварді (група, яка першою створила “легке-на-чипі”). Emulate виробляє лінійку органних чипів (печінка, кишечник, легені, мозок тощо) і є лідером у комерціалізації цієї технології. За словами генерального директора Emulate, інтерес до їхніх органних чипів різко зріс нещодавно – після того, як FDA оголосило про свій план скоротити тестування на тваринах, Emulate “отримувала запити від потенційних клієнтів” і навіть чула від інвесторів, які прагнули вкласти більше грошей у компанію cen.acs.org. Це явна ознака того, що ринок очікує зростання попиту на рішення орган-на-чипі, оскільки фармацевтична галузь змінює свої стратегії розробки.
Emulate – не єдина; кілька інших компаній також привертають увагу. CN Bio, британська компанія, пропонує системи орган-на-чипі та розробила мультиорганну платформу (часто звану “мікрофізіологічною системою”), яка може з’єднувати печінку з іншими органними модулями. CN Bio активно співпрацює з партнерами та публікує валідаційні дослідження своїх печінкових чипів для тестування токсичності. MIMETAS, що базується в Нідерландах, є ще одним лідером – відома своєю технологією OrganoPlate®, яка по суті є мікрофлюїдною пластиною з багатьма мініатюрними моделями органів для високопродуктивного скринінгу. MIMETAS уклала угоди про співпрацю з великими фармацевтичними компаніями; наприклад, у 2023 році вона уклала стратегічне партнерство з Astellas Pharma для використання моделей орган-на-чипі в дослідженнях протиракових препаратів mimetas.com. Mimetas також співпрацювала з біотехнологічною компанією Argenx, як згадувалося, надаючи дані орган-на-чипі для подання IND – це досягнення, що демонструє комерційну значущість її платформи mimetas.com.
У Сполучених Штатах Hesperos, Inc. (стартап із Флориди, співзасновником якого є піонер-дослідник Майкл Шулер) зосереджується на багатоорганних системах і пропонує послуги тестування з використанням своїх моделей “людина-на-чипі”. Повідомляється, що Hesperos співпрацювала з великими фармацевтичними компаніями, такими як Sanofi, AstraZeneca та Apellis, для скринінгу кандидатів у лікарські засоби на безпечність та ефективність за допомогою своїх багатоорганних чипів cen.acs.org. Такі партнерства з відомими фармацевтичними фірмами свідчать про те, що навіть великі компанії оцінюють дані органів-на-чипі поряд із традиційними дослідженнями. Ще однією помітною американською компанією є AxoSim, яка спеціалізується на моделях нервової системи та мозку (таких як “міні-мозки” та платформи nerve-on-chip) для тестування неврологічних ефектів; вони також залучили біотехнологічних клієнтів, зацікавлених у оцінці нейротоксичності без використання тваринних моделей cen.acs.org.Сектор органів-на-чипі також включає такі компанії, як TissUse (Німеччина), яка пропонує платформу “багатоорганного біореактора”, та Nortis (США), відому своїми мікрофлюїдними судинними чипами. Навіть великі контрактні дослідницькі організації (CRO), такі як Charles River Laboratories, почали інвестувати в технологію органів-на-чипі або співпрацювати з компаніями, що займаються органами-на-чипі criver.com (оскільки вони передбачають, що клієнти будуть запитувати ці аналізи). Коротко кажучи, формується екосистема виробників, постачальників послуг і партнерів.
Перспективи розвитку ринку органів-на-чипі дуже обнадійливі. Хоча сьогодні він ще відносно невеликий у грошовому вираженні, його зростання відбувається дуже швидкими темпами. Згідно з дослідженнями ринку, світовий ринок органів-на-чипі оцінювався приблизно в ~$150 мільйонів на початку 2020-х років, але очікується вибухове зростання (30–40% щорічно) у найближчі роки grandviewresearch.com. Деякі прогнози передбачають, що ринок досягне майже $1 мільярда до кінця цього десятиліття grandviewresearch.com, що буде зумовлено зростаючим впровадженням у відкритті ліків, токсикологічному тестуванні та академічних дослідженнях. Це зростання підживлюється не лише попитом з боку фармацевтики, а й фінансуванням урядових ініціатив і наукових грантів, спрямованих на вдосконалення методів тестування. Наприклад, такі агентства, як Національні інститути здоров’я США (NIH), фінансували програми “Tissue Chip” для розробки моделей органів-на-чипі для вивчення хвороб і навіть відправляли деякі з цих чипів на Міжнародну космічну станцію для експериментів у мікрогравітації (розширюючи спектр застосування цієї технології).
Інтерес інвесторів до стартапів у сфері органів-на-чипі також зріс. Венчурні та корпоративні інвестори бачать потенціал цих технологій для революціонізації частин доклінічного ринку досліджень, що перевищує $180 мільярдів. Наприклад, компанія Emulate залучила значне фінансування та уклала угоди на постачання чипів для тестування безпеки ліків (одне з партнерств було з Moderna, яка використовувала печінку-на-чипі Emulate для перевірки безпеки ліпідних наночастинок, що застосовуються для доставки мРНК-вакцин) cen.acs.org. Оскільки регуляторні норми все більше віддають перевагу не тваринним даним, фармацевтичні компанії можуть вкладати більше ресурсів у тестування на органах-на-чипі, щоб залишатися попереду, що ще більше підсилить ринок.
Звісно, разом із можливостями з’являється конкуренція та певні проблеми зростання. Компанії повинні довести, що їхні конкретні моделі органів-на-чипі є надійними та науково обґрунтованими. Вони часто тісно співпрацюють із регуляторними органами для кваліфікації своїх пристроїв. Надходили повідомлення про те, що менші компанії у сфері органів-на-чипі стикаються з фінансовими труднощами, особливо якщо залежать від державних контрактів, які можуть змінюватися cen.acs.org. Однак загальна тенденція полягає в тому, що комерційна активність посилюється. У цій сфері також спостерігається конвергенція дисциплін – біотехнологічні компанії наймають мікроінженерів, програмних експертів і біологів для вдосконалення цих продуктів. З появою нових історій успіху (наприклад, коли препарат, розроблений за допомогою органів-на-чипі, виходить на ринок), це ще більше підтвердить бізнес-обґрунтування цієї технології. Підсумовуючи, індустрія органів-на-чипі переходить від нішевої, піонерської фази до більш зрілої фази масштабування та інтеграції у мейнстрім розробки ліків, що підтримується сприятливими регуляторними та суспільними тенденціями.
Етичні та суспільні наслідки
Поява технології органів-на-чипі має глибокі етичні та суспільні наслідки, переважно дуже позитивні, але також із певними міркуваннями щодо того, як ми проводимо біомедичні дослідження. З етичної точки зору, найочевиднішою перевагою є потенціал значно скоротити (і зрештою усунути) використання тварин у тестуванні ліків і дослідженнях. Це вирішує давню етичну проблему: традиційне тестування ліків вимагало жертвування незліченної кількості тварин, що викликало занепокоєння щодо добробуту тварин. Заміна цих тестів чипами на основі людських клітин означає, що набагато менше тварин піддаватимуть експериментам. Організації із захисту тварин вітали цю тенденцію – коли FDA оголосила про відмову від тестів на тваринах, групи захисту прав тварин були серед найгучніших, хто святкував це cen.acs.org. Громадськість також дедалі більше переймається тим, як тестуються продукти. Опитування показують, що споживачі віддають перевагу етично отриманим продуктам і тиснуть на законодавців щодо тестування на тваринах theregreview.org. Перехід до органів-на-чипі частково є відповіддю на цю суспільну вимогу до інновацій без жорстокості. Це пропонує реальне рішення на питання: «Якщо не на тваринах, то як?» – демонструючи, що ми можемо дотримуватися безпеки та наукової точності без шкоди для тварин.
Ще одним етичним аспектом є справедливість і людська релевантність досліджень. Ми часто забуваємо, що залежність від тваринних моделей є ризикованою не лише для людей, а й може бути несправедливою для пацієнтів, якщо це затримує або вводить в оману розробку ліків. Наприклад, якщо ліки від людської хвороби не спрацьовують на тваринах і їх відкладають, людство втрачає через те, що біологія іншого виду не збігається з нашою. І навпаки, небезпечний препарат може пройти тести на тваринах і завдати шкоди людським добровольцям у клінічних випробуваннях. Орган-на-чипі вирішує це, зосереджуючись на людській біології з самого початку, що потенційно веде до безпечніших випробувань і меншої кількості трагедій. Забезпечуючи більш прогностичні дані, це може вберегти людських добровольців від впливу ліків, які все одно не пройшли б випробування. У цьому сенсі органи-на-чипі приносять користь суспільству, покращуючи безпеку клінічних досліджень – менше учасників випробувань піддаються ризику – і, можливо, прискорюючи розробку ліків (оскільки неефективні сполуки можна відсіяти раніше, а перспективні визначити з більшою впевненістю).
Перехід до органів-на-чипі та подібних методів також має наслідки для наукової спільноти та робочої сили. Оскільки тестування на тваринах стає менш центральним, дослідникам знадобляться нові навички (наприклад, тканинна інженерія, мікрофлюїдика та комп’ютерний аналіз) для використання та розробки цих передових in vitro систем. Може відбутися культурний зсув у лабораторіях та освіті: майбутні токсикологи та фармакологи можуть навчатися на чипах, що імітують людину, замість того, щоб вивчати хірургію на лабораторних тваринах. Це може сприяти більш людиноцентричному мисленню в дослідженнях з самого початку. З етичної точки зору, багато молодих науковців із захопленням ставляться до методик, які не потребують завдання шкоди тваринам, тому органи-на-чипі можуть зробити біомедичну кар’єру привабливішою для тих, хто заперечує проти використання тварин. Водночас, слід обережно підходити до управління переходом для тих, чиє існування наразі залежить від досліджень на тваринах (наприклад, розвідники лабораторних тварин або певні лаборанти). З часом ресурси можна буде перенаправити – наприклад, приміщення, які раніше використовувалися для утримання тварин, можна переобладнати під лабораторії для культивування тканин. Є надія, що науковий прогрес йтиме пліч-о-пліч з етичним прогресом, і органи-на-чипі відкривають шлях для цього.Існують також ширші суспільні питання для розгляду. Якщо органи-на-чипі та пов’язані технології (такі як органоїди та комп’ютерні моделі) стануть нормою, суспільству потрібно буде забезпечити, щоб регуляторні та правові рамки були оновлені відповідно до темпів розвитку. Наприклад, як встановити відповідальність, якщо препарат схвалено на основі нового методу, а згодом виявляються непередбачені ефекти? Забезпечення належної валідації методів орган-на-чипі допомагає зменшити цей ризик. Деякі етики стверджують, що, впроваджуючи моделі на основі людини, ми також маємо переглянути, як визначаємо стандарти безпеки та ефективності – можливо, підвищити їх, оскільки матимемо точніші інструменти. У глобальному масштабі важливою є справедливість доступу до цих технологій: країни, що розвиваються, можуть не мати ресурсів для швидкого впровадження високотехнологічного тестування на органах-на-чипі, тому може виникнути потреба в міжнародній підтримці або передачі технологій, інакше може з’явитися розрив, коли лише окремі країни спочатку відмовляться від тестування на тваринах.
З точки зору суспільних цінностей, перехід до тестування без тварин відображає зростаюче співчуття та повагу до інших живих істот. Це співзвучно ідеї, що науковий прогрес не повинен досягатися ціною непотрібних страждань. Якщо технологія орган-на-чипі буде успішною, вона може стати предметом громадської гордості та підтримки, подібно до космічних перегонів чи інших великих наукових досягнень, оскільки вирішує моральну дилему та водночас просуває науку. Можливо, ми побачимо майбутнє, де медичні прориви будуть прославлятися не лише за порятунок людських життів, а й за те, що не забирають життя тварин у цьому процесі. Уже зараз у політичних колах використовується риторика, яка подає скорочення тестування на тваринах як ознаку прогресу та інновацій ema.europa.eu.
На завершення, етичні та суспільні наслідки технології органів-на-чипі є переважно трансформаційними та позитивними. Вона пропонує майбутнє, де ми інновуємо більш гуманно, узгоджуючи наукові практики з моральними очікуваннями суспільства, що змінюються. Звісно, прозорість і освіта будуть ключовими – громадськість має бути поінформована про ці нові методи та впевнена в їхній ефективності, щоб зберегти довіру до того, як тестуються ліки. Якщо орган-на-чипі виправдає свої обіцянки, ми можемо озирнутися на тестування на тваринах як на грубий, архаїчний підхід, подібний до інших застарілих практик в історії медицини. Подорож ще не завершена, але кожен крок вперед у розвитку органів-на-чипі наближає нас до світу, де життєво важливі ліки можна розробляти без жертвування лабораторних тварин, на благо як людей, так і тварин.
Експертні думки та майбутні перспективи
Багато експертів у галузях фармакології, біоінженерії та етики оптимістично налаштовані, що технологія органів-на-чипі відіграватиме центральну роль у майбутньому розробки ліків. Доктор Дональд Інгбер, професор Гарварду, який очолив розробку першого легень-на-чипі, часто зазначає, що ці системи можуть «заповнити прогалину» між експериментами в чашках Петрі та живими людьми так, як нічого іншого не може. Він та інші підкреслюють, що органи-на-чипі надають експериментам людський контекст – чого тваринні моделі за своєю суттю позбавлені. З появою все більшої кількості даних для валідації, довіра до цих систем зростає. Лідери галузі, такі як Джим Корбетт з Emulate, підкреслюють, як швидко все змінюється: «Це чіткий і свідомий зсув», – сказав Корбетт про нову позицію FDA, підкреслюючи, що те, що колись було футуристичною ідеєю, зараз активно інтегрується в регуляторну науку cen.acs.org.
Водночас експерти застерігають, що ми маємо бути реалістичними та ретельними. Жоден окремий метод не вирішить усіх проблем, і орган-на-чипі не є панацеєю. Доктор Ентоні Холмс з NC3Rs у Великій Британії зазначив, що поєднання методів – органи-на-чипі, комп’ютерне моделювання, високопродуктивні клітинні аналізи – разом замінять тести на тваринах, і що ключовим є співробітництво. Цю думку поділяють і регулятори, які залучають зацікавлені сторони через семінари та робочі групи nist.gov. Майбутнє, яке вони уявляють, – це майбутнє «методологій нового підходу», що працюють разом для покращення прогнозів. У цьому майбутньому орган-на-чипі розглядається як базова технологія, яка може моделювати реакції людських органів, тоді як інші інструменти (наприклад, комп’ютерні моделі) можуть моделювати системну фізіологію чи генетику. Разом вони можуть зробити тести на тваринах застарілими.
Один із яскравих інсайтів з індустрії надійшов від генерального директора Mimetas, який прокоментував подання IND, підтримане їхніми даними органів-на-чипі: раннє впровадження моделей, релевантних людині, може прискорити розробку терапії mimetas.com. Це відображає ширший зсув у мисленні – використання людської біології як основної тестової платформи замість покладання на міжвидову екстраполяцію. Очікується, що з появою більшої кількості історій успіху (наприклад, ліків, небезпечний побічний ефект яких був виявлений чипом, або терапії, розробленої швидко завдяки чипам), вся фармацевтична парадигма перейде до “human-first” моделей тестування. Компанії, які адаптуються до цього, ймовірно, отримають конкурентну перевагу, зможуть швидко відмовлятися від невдалих препаратів (відсіювати погані ліки раніше) і зосереджуватися на перспективних кандидатах.Дивлячись у майбутнє, експерти прогнозують кілька захопливих розробок. Персоналізована медицина може отримати потужний імпульс завдяки органам-на-чипі: уявіть, що можна взяти клітини пацієнта з певним видом раку, виростити мікро-пухлину на чипі разом із власними імунними клітинами пацієнта, а потім протестувати набір ліків, щоб побачити, що працює найкраще – і все це до початку лікування пацієнта. Це може стати реальністю й дозволить підбирати лікування з небаченою точністю. Дослідники також розглядають інтеграцію CRISPR-редагування генів з органами-на-чипі для моделювання генетичних захворювань на чипі та тестування генних терапій. Ще одна сфера – екологічне та хімічне тестування – регуляторні органи, відповідальні за хімічну безпеку (не лише ліків), зацікавлені у використанні органів-на-чипі для тестування косметики, харчових добавок чи промислових хімікатів на токсичність без використання тварин. EPA у США, наприклад, має ініціативи щодо скорочення тестування хімікатів на тваринах до 2035 року, і органи-на-чипі, ймовірно, стануть частиною цього рішення.
Підсумовуючи, експертний консенсус полягає в тому, що технологія органів-на-чипі готова до революції у підходах до тестування ліків і дослідження хвороб, але для повної реалізації її потенціалу потрібні подальші зусилля. Оптимізм супроводжується відчуттям відповідальності: ретельно валідувати ці системи, забезпечити їхню доступність і правильне використання, а також широко ділитися знаннями. У міру розвитку цієї галузі колись фантастична ідея розробки ліків без тестування на тваринах набуває реальних обрисів. Кожен крихітний мікрофлюїдний чип із живими людськими клітинами є і науковим проривом, і етичним досягненням. Разом вони ведуть нас до майбутнього безпечнішого, швидшого та гуманнішого відкриття ліків – майбутнього, де лабораторні щури, кролики й мавпи більше не є типовими об’єктами тестування, а людська біологія на чипі стає провідником у порятунку людських життів.
Джерела:
- Ingber, D. та ін., 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 (травень 2025) gao.gov
- Walrath, R., Chemical & Engineering News (травень 2025) – “Перехід FDA від тестування на тваринах відкриває двері для виробників органоїдів” cen.acs.org
- Lake, D., Lab on a Chip Blog (RSC) – “Проривні технології в Organ-on-a-Chip” (липень 2024) blogs.rsc.org
- Clarivate Analytics – “Поза межами тестування на тваринах: зростання органів-на-чипах” (жовтень 2024) b clarivate.com
- NIST News – “Розробка стандартів для досліджень Organ-on-a-Chip” (лютий 2024) nist.govnist.gov
- EMA 3Rs Working Party Report (2023) – Кваліфікація Organ-on-Chip для регуляторного використання ema.europa.eu
- Columbia Engineering News – “Plug-and-Play Organ-on-a-Chip” (квітень 2022) engineering.columbia.edu
- Mimetas Press Release – Дані Organ-on-Chip у заявці FDA IND (липень 2024) mimetas.com
- RSPCA Science – Статистика використання тварин у дослідженнях science.rspca.org.uk
- The Regulatory Review (Penn Law) – “Чи настав час припинити тестування на тваринах?” (січень 2024) theregreview.org
- C&EN / Biospace – Ринок тестування на тваринах і рівень невдач cen.acs.org
