Zespół kierowany przez Masayę Hagiwarę z Narodowego Instytutu Naukowego RIKEN w Japonii opracował pomysłowe urządzenie, wykorzystujące warstwy hydrożeli w strukturze przypominającej sześcian, które pozwala badaczom konstruować złożone organoidy 3D bez stosowania skomplikowanych technik. Grupa zademonstrowała również niedawno możliwość wykorzystania urządzenia do budowy organoidów, które wiernie odtwarzają asymetryczną ekspresję genetyczną, która charakteryzuje rzeczywisty rozwój organizmów. Urządzenie może zrewolucjonizować sposób, w jaki testujemy leki, a także dostarczyć wiedzy na temat rozwoju tkanek i doprowadzić do opracowania lepszych technik hodowli sztucznych organów.
Naukowcy od dawna zmagają się z problemem stworzenia organoidów – tkanek podobnych do organów, hodowanych w laboratorium, aby odtworzyć rzeczywisty rozwój biologiczny. Tworzenie organoidów, które funkcjonują podobnie do prawdziwych tkanek, jest ważne dla rozwoju leków, ponieważ konieczne jest zrozumienie, jak leki przemieszczają się przez różne tkanki. Organoidy pomagają nam również zrozumieć sam proces rozwoju i są kamieniem milowym na drodze do wyhodowania całych organów, które mogą pomóc pacjentom.
W naturze tkanki rozwijają się poprzez skomplikowany “taniec”, który obejmuje gradienty chemiczne i fizyczne rusztowania, które kierują komórki w określone trójwymiarowe wzory. W przeciwieństwie do tego, organoidy hodowane w laboratoriach zazwyczaj rozwijają się albo poprzez pozwolenie komórkom rosnąć w jednorodnych warunkach – tworząc proste kulki podobnych komórek – albo poprzez użycie technologii druku 3D lub technologii mikrofluidycznych, które wymagają skomplikowanego sprzętu i umiejętności technicznych.
Teraz jednak, we wstępnej pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym “Advanced Materials Technologies”, grupa z RIKEN Cluster for Pioneering Research ogłosiła opracowanie nowej, innowacyjnej techniki, która pozwala im na przestrzenną kontrolę środowiska wokół grup komórek opartych na kostkach, przy użyciu pipety.
Metoda polega na zamknięciu warstw hydrożeli – substancji składających się głównie z wody – o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych wewnątrz naczynia hodowlanego w kształcie sześcianu. W badaniach, różne hydrożele były wprowadzane do rusztowania za pomocą pipety i były utrzymywane na miejscu w oparciu o napięcie powierzchniowe. Komórki mogły być wprowadzane do kostek albo w obrębie poszczególnych hydrożeli, albo w postaci granulek, które mogły przemieszczać się do różnych warstw, co umożliwiało tworzenie różnych typów tkanek.
W drugiej pracy, opublikowanej w czasopiśmie “Communications Biology”, grupa zademonstrowała również zdolność do odtworzenia tego, co znane jest jako wzorowanie się na osi ciała. Zasadniczo, kiedy kręgowce się rozwijają, istnieje wzorcowanie różnicowania komórek w kierunku głowa/tył i plecy/żołądek. Chociaż jest to ważne dla tworzenia organoidów, które wiernie odtwarzają to, co dzieje się w rzeczywistych organizmach, było to bardzo trudne do osiągnięcia w laboratorium.
W tej pracy, używając systemu opartego na kostkach, grupa była w stanie odtworzyć to wzorowanie, używając nakładki na formę do precyzyjnego zasiania grupy indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) w kostce, a następnie pozwalając komórkom na ekspozycję na gradient dwóch różnych czynników wzrostu. Posunęli się nawet do “zwerbowania” asystenta laboratoryjnego i gimnazjalisty do udanego wykonania pracy, pokazując, że “posianie” komórek nie będzie wymagało wysokiego poziomu wiedzy. Zespół wykazał również, że powstałe tkanki mogą zostać poddane sekcjonowaniu w celu obrazowania i nadal zachowywać informacje o orientacji gradientu.
Według Hagiwary “Jesteśmy bardzo podekscytowani tymi osiągnięciami, ponieważ nowy system umożliwi badaczom szybkie i pozbawione trudnych przeszkód technicznych odtworzenie organoidów, które bardziej przypominają sposób, w jaki organy rozwijają się w rzeczywistych organizmach. Mamy nadzieję, że wielu badaczy wykorzysta naszą metodę do stworzenia różnych nowych organoidów i przyczyni się do badań nad różnymi układami narządów. Ostatecznie mamy nadzieję, że przyczyni się ona również do zrozumienia, jak możemy zbudować rzeczywiste sztuczne organy, które mogą pomóc pacjentom.”
Hagiwara dołączył do RIKEN w 2019 roku w ramach programu RIKEN Hakubi Fellow, który zachęca utalentowanych młodych naukowców do zakładania własnych laboratoriów. Jego konkretna uwaga skupia się na rozwoju płuc, ale podkreśla, że technologia może być wykorzystana również do tworzenia innych rodzajów organoidów.
Źródło: RIKEN / Communications Biology
DOI: 10.1038/s42003-023-04694-5
