Zespół kierowany przez Masayę Hagiwarę z krajowego instytutu naukowego RIKEN w Japonii opracował genialne urządzenie, wykorzystujące warstwy hydrożeli w strukturze przypominającej sześcian, które pozwala naukowcom konstruować złożone organoidy 3D bez stosowania skomplikowanych technik. Grupa niedawno zademonstrowała również możliwość wykorzystania urządzenia do budowy organoidów, które wiernie odtwarzają asymetryczną ekspresję genetyczną charakteryzującą rzeczywisty rozwój organizmów. Urządzenie może zrewolucjonizować sposób, w jaki testujemy leki, a także może zapewnić wgląd w rozwój tkanek i doprowadzić do lepszych technik hodowania sztucznych narządów.

Naukowcy od dawna starali się stworzyć organoidy – tkanki przypominające narządy hodowane w laboratorium – w celu odtworzenia rzeczywistego rozwoju biologicznego. Tworzenie organoidów, które działają podobnie do prawdziwych tkanek, jest ważne dla opracowywania leków, ponieważ konieczne jest zrozumienie, w jaki sposób leki przemieszczają się w różnych tkankach. Organoidy pomagają nam również uzyskać wgląd w sam proces rozwoju i są odskocznią na drodze do hodowli całych narządów, które mogą pomóc pacjentom.

Jednak tworzenie żywych organoidów okazało się trudne. W naturze tkanki rozwijają się poprzez skomplikowany taniec, który obejmuje gradienty chemiczne i fizyczne rusztowania, które prowadzą komórki do określonych wzorów 3D. W przeciwieństwie do tego, organoidy hodowane w laboratorium zwykle rozwijają się, pozwalając komórkom rosnąć w jednorodnych warunkach – tworząc proste kulki podobnych komórek – lub przy użyciu druku 3D lub technologii mikroprzepływowych, które wymagają zaawansowanego sprzętu i umiejętności technicznych.

Ale teraz, w pierwszym artykule opublikowanym w Zaawansowane technologie materiałowegrupa 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 niczego bardziej skomplikowanego niż pipeta.

Metoda polega na zamknięciu warstw hydrożeli – substancji składających się głównie z wody – o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych w naczyniu hodowlanym w kształcie sześcianu. W badaniu różne hydrożele wprowadzano do rusztowania za pomocą pipety i utrzymywano na miejscu w oparciu o napięcie powierzchniowe. Komórki można wkładać do kostek albo w pojedynczych hydrożelach, albo w postaci peletek, które mogą przemieszczać się do różnych warstw, umożliwiając w ten sposób tworzenie szeregu typów tkanek.

W drugim artykule opublikowanym w r Biologia komunikacji, grupa wykazała również zdolność do odtworzenia tego, co jest znane jako modelowanie osi ciała. Zasadniczo, gdy rozwijają się kręgowce, występuje podział na głowę/tył i tył/żołądek różnicowania komórek. Choć ważne dla tworzenia organoidów, które wiernie odtwarzają to, co dzieje się w rzeczywistych organizmach, osiągnięcie tego w laboratorium było bardzo trudne.

W tej pracy, używając systemu opartego na kostkach, grupa była w stanie odtworzyć ten wzór, używając nasadki formy do precyzyjnego zaszczepienia grupy indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) w kostce, a następnie wystawienia komórek na działanie gradient dwóch różnych czynników wzrostu. Posunęli się nawet do „zrekrutowania” asystenta laboratoryjnego i ucznia gimnazjum, aby pomyślnie wykonali pracę, pokazując, że wysiewanie komórek nie wymagałoby wysokiego poziomu wiedzy specjalistycznej. Zespół wykazał również, że uzyskane tkanki można podzielić na skrawki do obrazowania i nadal zachować informacje o orientacji gradientu.

Jesteśmy bardzo podekscytowani tymi osiągnięciami, ponieważ nowy system umożliwi naukowcom szybkie i bez trudnych technicznych przeszkód odtworzenie organoidów, które bardziej przypominają sposób, w jaki rozwijają się narządy w rzeczywistych organizmach. Mamy nadzieję, że szereg naukowców wykorzysta naszą metodę do stworzenia różnych nowych organoidów i przyczyni się do badań nad różnymi układami narządów. Mamy nadzieję, że ostatecznie przyczyni się to również do zrozumienia, w jaki sposób możemy budować prawdziwe sztuczne narządy, które mogą pomóc pacjentom”.

Masaya Hagiwara, RIKEN

Hagiwara dołączyła do RIKEN w 2019 roku jako RIKEN Hakubi Fellow, program, który zachęca utalentowanych młodych naukowców do zakładania własnych laboratoriów. Specjalizuje się w rozwoju płuc, ale podkreśla, że ​​technologia ta może być wykorzystana również do tworzenia innych rodzajów organoidów.