Einfache, aber revolutionäre modulare Organoide, die mit Hydrogelen hergestellt wurden

Ein Team unter der Leitung von Masaya Hagiwara vom nationalen Wissenschaftsinstitut RIKEN in Japan hat ein ausgeklügeltes Gerät entwickelt, das Hydrogelschichten in einer würfelartigen Struktur verwendet und es Forschern ermöglicht, komplexe 3D-Organoide ohne aufwändige Techniken zu konstruieren. Die Gruppe demonstrierte kürzlich auch die Fähigkeit, das Gerät zum Bau von Organoiden zu verwenden, die die asymmetrische genetische Expression, die die tatsächliche Entwicklung von Organismen charakterisiert, originalgetreu reproduzieren. Das Gerät hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Medikamente testen, zu revolutionieren, und könnte auch Einblicke in die Entwicklung von Geweben liefern und zu besseren Techniken für die Züchtung künstlicher Organe führen.

Wissenschaftler haben lange darum gekämpft, Organoide – organähnliche Gewebe, die im Labor gezüchtet werden – herzustellen, um die tatsächliche biologische Entwicklung zu replizieren. Die Herstellung von Organoiden, die ähnlich wie echtes Gewebe funktionieren, ist wichtig für die Entwicklung von Medikamenten, da es notwendig ist zu verstehen, wie sich Medikamente durch verschiedene Gewebe bewegen. Organoide helfen uns auch, Einblicke in den Entwicklungsprozess selbst zu gewinnen, und sind ein Sprungbrett auf dem Weg zum Züchten ganzer Organe, die Patienten helfen können.

Die Herstellung lebensechter Organoide hat sich jedoch als schwierig erwiesen. In der Natur entwickeln sich Gewebe durch einen ausgeklügelten Tanz, der chemische Gradienten und physikalische Gerüste umfasst, die Zellen in bestimmte 3D-Muster führen. Im Gegensatz dazu entwickeln sich im Labor gezüchtete Organoide typischerweise entweder, indem man die Zellen unter homogenen Bedingungen wachsen lässt – wodurch einfache Kugeln ähnlicher Zellen entstehen – oder indem 3D-Druck- oder Mikrofluidik-Technologien verwendet werden, die beide eine ausgeklügelte Ausrüstung und technische Fähigkeiten erfordern.

Aber jetzt, in einem ersten Artikel, der in veröffentlicht wurde Fortschrittliche Materialtechnologienkündigte die Gruppe des RIKEN-Clusters für Pionierforschung die Entwicklung einer neuen, innovativen Technik an, die es ihnen ermöglicht, die Umgebung um Zellgruppen auf der Grundlage von Würfeln räumlich zu kontrollieren, indem sie nichts Komplizierteres als eine Pipette verwenden.

Bei der Methode werden Schichten aus Hydrogelen – Substanzen, die hauptsächlich aus Wasser bestehen – mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften in einem würfelförmigen Kulturgefäß eingeschlossen. In der Studie wurden verschiedene Hydrogele mit einer Pipette in das Gerüst eingebracht und anhand der Oberflächenspannung an Ort und Stelle gehalten. Zellen könnten in die Würfel entweder innerhalb der einzelnen Hydrogele oder als Pellets eingebracht werden, die sich in die verschiedenen Schichten bewegen könnten, wodurch eine Reihe von Gewebetypen erzeugt werden könnten.

In einem zweiten Artikel, veröffentlicht in Kommunikationsbiologie, demonstrierte die Gruppe auch die Fähigkeit, das, was als Körperachsenmuster bekannt ist, nachzubilden. Wenn sich Wirbeltiere entwickeln, gibt es im Wesentlichen ein Kopf/Hinterteil- und Rücken/Bauch-Muster der Zelldifferenzierung. Obwohl dies für die Herstellung von Organoiden wichtig ist, die originalgetreu nachbilden, was in echten Organismen passiert, war dies im Labor sehr schwierig zu erreichen.

In dieser Arbeit konnte die Gruppe unter Verwendung des würfelbasierten Systems diese Musterung nachbilden, indem sie eine Formkappe verwendete, um eine Gruppe induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs) innerhalb eines Würfels präzise zu impfen und die Zellen dann freizulegen ein Gradient aus zwei verschiedenen Wachstumsfaktoren. Sie gingen sogar so weit, einen Laborassistenten und einen Mittelschüler zu „rekrutieren“, um die Arbeit erfolgreich durchzuführen, was zeigte, dass das Aussäen der Zellen kein hohes Maß an Fachwissen erfordern würde. Das Team demonstrierte auch, dass die resultierenden Gewebe für die Bildgebung geschnitten werden konnten und dennoch die Informationen über die Gradientenorientierung erhalten blieben.

Laut Hagiwara „freuen wir uns sehr auf diese Errungenschaften, da das neue System es Forschern ermöglichen wird, schnell und ohne schwierige technische Hürden Organoide nachzubilden, die der Art und Weise, wie sich Organe in echten Organismen entwickeln, ähnlicher sind. Das hoffen wir.“ Eine Reihe von Forschern wird unsere Methode verwenden, um verschiedene neue Organoide herzustellen und zur Erforschung verschiedener Organsysteme beizutragen. Wir hoffen, dass sie schließlich auch dazu beitragen wird, zu verstehen, wie wir echte künstliche Organe bauen können, die Patienten helfen können.“