章鱼:一种在培养皿中生长微型器官的优化装置

发布时间:2023-03-14 19:40:22 编辑: 来源:
导读 说到人体,就没有典型的东西。变化是规则。近年来,生物科学越来越关注探索个体之间缺乏规范的问题,医学和制药研究人员正在提出有关将有关

说到人体,就没有典型的东西。变化是规则。近年来,生物科学越来越关注探索个体之间缺乏规范的问题,医学和制药研究人员正在提出有关将有关生物变异的见解转化为更精确和富有同情心的护理的问题。

如果可以为每个患者量身定制治疗方法会怎样?如果我们能够在试错治疗之前预测个体身体对药物的反应,会发生什么?是否有可能了解一个人的疾病是如何开始和发展的,以便我们确切地知道如何治愈它?

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院生物工程系副教授Dan Huh通过在体外复制生物系统来寻求这些问题的答案。这些内部系统的外部副本有望提高药物疗效,同时提供有关患者健康的新知识水平。

作为芯片上的器官技术的创新者,或者存储在不超过U盘的塑料设备中的身体系统的微型副本,Huh已经扩大了他的注意力,使用患者自己的细胞在培养皿中设计微型器官。

最近发表在《自然方法》上的一项研究介绍了章鱼,它将培养皿中的器官培养到无与伦比的成熟度。研究领导者包括生物工程博士生Estelle Park,费城儿童医院(CHOP)胃肠上皮建模项目副主任Tatiana Karakasheva和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院儿科助理教授Kathryn Hamilton和CHOP胃肠上皮建模项目联合主任。

在这项研究中,研究小组使用章鱼(O rganoid Culture-based Three-dimensional Organogenesis Platform,具有Unrestricted S的可溶性信号)来了解更多关于患有炎症性肠病(IBD)的儿童所面临的独特挑战。

“这项研究的目的是,”Park说,“是创造一种设备,为细胞提供一个尽可能接近人体的环境。我们希望它们在菜肴中的发展与其来源的发展相匹配,因此我们有一个真正的副本可供学习。在一个超过90%的临床前动物研究在对人类受试者进行测试之前失败的世界里,两者的伦理都很复杂,章鱼将成为当前实验室实践的宝贵补充。

这些被称为“类器官”的培养皿器官于2009年首次开发,为医学研究和患者护理的重大改进打开了大门。

为了制造它们,科学家们收集器官特异性干细胞并将它们引入三维凝胶液滴中。在精心开发的化学饮食的滋养下,干细胞自发地组织成一个未成熟的器官。

与构成实验室检测支柱的简单二维细胞培养物相比,类器官拥有大量信息。器官由多种细胞类型组成,这些细胞不仅仅是其生物材料的总和。它们在彼此的交流中发展和运作。

与传统的细胞培养不同,类器官允许这些关系的发展。它们为研究器官如何发展和执行其专业功能提供了强大的工具。

类器官产生大量难以访问的人体数据,再现个体患者器官的健康和异常方面。类器官越成熟,它们就越接近器官的真实复杂性。

通过OCTOPUS,Huh的团队大大推进了类器官研究的前沿,提供了一个优于传统凝胶液滴的平台。

章鱼将软水凝胶培养材料分解成触手状的几何形状。薄而放射状的培养室位于一个美国四分之一大小的圆形圆盘上,使类器官能够发展到前所未有的成熟度。

“有限的组织成熟度是类器官和干细胞研究中的一个重大问题,”Huh说。

“解决这个问题的努力主要集中在生物化学上,通过开发更好的培养基配方来帮助干细胞分化成更成熟的组织。作为工程师,我们从不同的角度解决了这个问题,更加关注类器官如何生长的物理方面。重新设计水凝胶支架的三维几何形状,我们能够设计常规培养模型的生化环境。章鱼改善了营养物质、氧气和生长因子的运输,而无需重新配制培养基生物化学。

本文还介绍了该平台的增强版本,称为OCTOPUS-EVO,它将成熟度提升到一个新的水平。将插入物转变为一个可以精确控制其流体环境的区隔设备,Huh的团队使用各种器官细胞类型来创建类器官,这些器官类型非常先进,他们开发了功能性血管。

“我们技术的美妙之处,”Huh说,“在于它的极简主义。我们在设计设备时首先考虑了可用性。章鱼只需一个简单的插入件,就可以毫不费力地融入现有的实验室技术中。该技术易于采用,并准备立即产生影响。

汉密尔顿的实验室目前使用章鱼来生长类器官来研究儿童的肠道疾病,他将这些设备描述为变革性的。

“医学研究人员越能忠实地再现器官在体内的行为方式,他们就越能预测患者的反应,”汉密尔顿说。“这项技术正是我们筛选药物、测试疗法、描述健康行为和定位功能障碍所需要的。我们每天都在学习新事物。

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