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Nature:利用一种新的水凝胶在体外培养类器官

来源:生物谷 2016-11-17 21:33


2016年11月17日/生物谷BIOON/--在一项新的研究中,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员开发出一种培养微型化身体器官的水凝胶,所培养出的微型化身体器官能够用于临床诊断和药物开发之中。

类器官(organoid)是能够在实验室中利用人的干细胞培养出的微型器官。它们能够被用来构建疾病模型,而且在未来可能被用来测试药物或者甚至替换病人体内受损的组织。但是当前的类器官在一种标准化的可控方法中非常难以培养,其中这种方法是设计和使用它们的关键。如今,EPFL研究人员通过开发出一种正在申请专利的“水凝胶”而解决了这个问题,其中这种水凝胶提供一种完全可控的和可调整的方法来培养类器官。这一突破性发现于2016年11月16日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture”。

类器官需要一种三维支架

培养类器官是利用干细胞---它们能够分化为人体中任何一种细胞类型的未成熟细胞,而且在组织功能和再生中发挥着关键作用---开展的。为了培养一种类器官,这些干细胞在三维水凝胶---含有促进干细胞更新和分化的生物分子混合物---内部进行培养。

这些水凝胶的作用是模拟这些干细胞的自然环境,给它们提供一种富含蛋白和糖的被称作“胞外基质”的支架,在这种支架上,这些干细胞长出特定的身体组织。这些干细胞粘附到这种胞外基质水凝胶上,然后“自我组装”成为视网膜、肾脏或肠道等微型器官。这些微型器官保持着实际器官中的关键特征,而且在开展人体临床试验之前,能够被用来研究疾病或测试药物。

但是当前的用来培养类器官的水凝胶是来自小鼠体内的,而且它们存在一些问题。首先,控制它们的批间组成是不可能的,这能够导致干细胞表现不一致。其次,它们的生化复杂性使得很难对它们进行微调以便研究不同参数(如,生物分子,力学性质等)对类器官培养的影响。最终,这些水凝胶能够携带病原体或免疫原,这意味着它们不适合培养用于诊所中的类器官。

一种水凝胶

EPFL生物工程研究所Matthias Lütolf实验室开发出一种人工合成的“水凝胶”,从而避免常规的天然来源的水凝胶存在的限制。这种正在申请专利中的水凝胶是由水和聚乙二醇(polyethylene glycol)组成的,其中聚乙二醇是一种如今受到广泛使用的存在多种形式的物质。

论文第一作者Nikolce Gjorevski和他的同事们利用这种水凝胶让肠道干细胞长出一种微型肠道。这种功能性的水凝胶不仅是一种目标,而且也是鉴定影响这些干细胞扩增和培养类器官的能力的因子。通过仔细地调整这种水凝胶的性质,他们发现这种类器官形成过程的不同阶段需要不同的力学环境和生物组分。

一个这样的因子是纤连蛋白(fibronectin),它协助这些干细胞附着到这种水凝胶中。Lütolf实验室发现这种附着本身在培养类器官中发挥着非常重要的作用,这是因为它提供许多信号给它们,告诉它们生长和产生一种类似肠道的结构。研究人员也发现这种水凝胶的物理硬度在调节肠道干细胞行为中发挥着一种不可或缺的作用,从而有助认识细胞如何能够感知和处理物理刺激,并对这些物理刺激作出反应。这种认识是特别有价值的---尽管生化信号对干细胞的影响是为人所熟知的,但是物理因子的影响是个谜。

鉴于这种水凝胶是人造的,因此控制它的化学组成和关键性质以及确保批间一致性是比较容易的。而且因为它是人工制造的,所以它不会产生任何感染风险或触发免疫反应。同样地,它提供一种方式将类器官从基础研究转移到未来的制药和临床应用之中。

Lütolf实验室如今正在研究其他的干细胞类型以便将他们的水凝胶的这些优势性能应用到其他的组织中。(生物谷 Bioon.com)

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Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture

Nikolce Gjorevski, Norman Sachs, Andrea Manfrin, Sonja Giger, Maiia E. Bragina, Paloma Ordóñez-Morán, Hans Clevers & Matthias P. Lutolf

doi:10.1038/nature20168

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