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Als dreidimensionale (3D) In-vitro-Modellsysteme haben organoidähnliche Strukturen der Pankreasinseln sich als entscheidende Werkzeuge in der Diabetesforschung und der regenerativen Medizin etabliert, da sie die mehrzellige Zusammensetzung und räumliche Struktur nativer Bauchspeicheldrüseninseln genau nachahmenkönnen. Solche Modelle bieten nicht nur eine einzigartige Plattform zum Verständnis der Inselentwicklungsbiologie und der pathologischen Mechanismen von Diabetes 2,3, sondern unterstützen auch die Entwicklung von Zellersatztherapien und Medikamentenscreeningsystemen4. Da die weltweite Prävalenz von Diabetes weiter ansteigt – insbesondere der absolute Insulinmangel durch irreversible β-Zellschäden bei Typ-1-Diabetes – kann eine herkömmliche Insulinersatztherapie die Symptome kontrollieren, aber die Krankheit nicht heilen. Unterdessen steht die Inseltransplantation vor einem schweren Spendermangel, weshalb die Entwicklung skalierbarer alternativer Inselquellen eine dringende Priorität 1,5 ist. Durch die Nutzung des gerichteten Differenzierungspotenzials pluripotenter Stammzellen oder adulter Stammzellen kann Pankreasinsel-organoidähnliche Technologie helfen, diese Einschränkung zu beheben 6,7,8.
In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte bei organoidähnlichen Kultursystemen der Bauchspeicheldrüseninseln erzielt, die auf humanen embryonalen Stammzellen (hESCs) und induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) basieren. Mehrere Studien haben bestätigt, dass sich Stammzellen durch die Optimierung von Induktionsprotokollen und Kulturbedingungen zu inselähnlichen Zellen mit glukoseresponsiven Insulinsekretionsfunktionendifferenzieren können. Durchbrüche in der chemischen Umprogrammierungstechnologie haben die Erzeugung von hiPSCs ohne genetische Manipulation ermöglicht und so das translationale Potenzial verbessert11. In Bezug auf Kultursysteme kann eine 3D-Kultur in Kombination mit spezifischen extrazellulären Matrix- und Wachstumsfaktorkombinationen die Selbstorganisation von Inselvorläuferzellen in organoide Strukturen fördern, die aus α, β und δ Zellenbestehen. Bestehende Technologien stehen jedoch weiterhin vor zahlreichen Herausforderungen, darunter instabile Differenzierungseffizienz, unzureichende funktionale Reife sowie das Fehlen von Gefäßnetzwerken und einer immunen Mikroumgebung – die13 wichtigsten begrenzenden Faktoren, die eine breitere Anwendung einschränken.
Trotz Fortschritten in der Forschung an organoidähnlichen Strukturen der Bauchspeicheldrüseninseln bleiben mehrere kritische wissenschaftliche Fragestellungen auf diesem Gebiet noch zu klären14. Erstens erschwert das Fehlen standardisierter Organoid-Definitionen und Konstruktionsverfahren es, Ergebnisse zwischen verschiedenen Laboren direkt zu vergleichen15. Zweitens können die aktuellen Kultursysteme die komplexe zelluläre Zusammensetzung und die präzise räumliche Anordnung der einheimischen Pankreasinseln16 nicht vollständig nachbilden. Drittens sind Kernprobleme wie funktionelle Stabilität während der Langzeitkultur der Organoide und das Überleben nach der Transplantation weiterhin unzureichend charakterisiert17. Darüber hinaus basieren die meisten bestehenden Protokolle weiterhin auf tierisch abgeleiteten Matrixmaterialien, die unter undefinierter Zusammensetzung und großer Batch-zu-Charge-Variation leiden, was die Qualitätskontrolle für klinische Anwendungen erschwert18. Diese Wissens- und technischen Lücken behindern ernsthaft die Übertragung organoidähnlicher organoidähnlicher Pankreasinselstrukturen von der Grundlagenforschung in die klinische Praxis.
Dieses Protokoll ist darauf ausgelegt, einen stabilen, erschwinglichen und wiederholbaren Ansatz zu entwickeln, um organoidähnliche Bauchspeicheldrüsen-Insel-ähnliche Konstrukte mithilfe von Knochenmark-mesenchymalen Stammzellen (BMSC) zu erzeugen. Die etablierte Methode ist für experimentelle Laborforschung und präklinische Arzneimittelscreenings vorgesehen. Aktuelle Strategien zur BMSC-induzierten Islet-Differenzierung unterliegen mehreren Einschränkungen, darunter übermäßige Kosten, inkonsistente Betriebsstandards und begrenzte Anwendbarkeit. Die meisten bestehenden Induktionssysteme basieren auf kostspieligen rekombinanten Zytokinen, professionellen Kulturmatrizen und hochpräzisen Kulturgeräten, die ihre breite Nutzung stark einschränken. Um diese Nachteile zu beheben, verwendet das vorliegende Protokoll das Lysat aus schweinepankreaschem Gewebe als Kerninduktionsfaktor. Diese optimierte und vereinfachte Kulturstrategie ermöglicht die effiziente Differenzierung von BMSCs in inselähnliche Strukturen mit ausschließlich routinemäßiger Laborausrüstung und -bedingungen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die auf hESCs, iPSCs oder Hochpreiswachstumsfaktor-Cocktails basieren, bietet die aktuelle Methode mehrere klare praktische Vorteile. Sie eliminiert den Bedarf an teuren Reagenzien und komplexen Kulturanlagen, senkt die experimentellen Kosten und ermöglicht konsistente Ergebnisse mit minimaler Variabilität zwischen den Chargen 10,11,12,13. Im Gegensatz zu xenogenen-matrixbasierten Systemen verwendet dieses Protokoll ein vereinfachtes Gewebelysat, was die experimentelle Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit in den Laboren 15,16,17,18 verbessert. Darüber hinaus sind BMSCs leicht zugänglich, stabil in der Kultur und frei von ethischen Einschränkungen, die mit pluripotenten Stammzellen verbunden sind, was diesen Ansatz besonders für den routinemäßigen Laboreinsatz geeignet macht.
Bestehende Forschungsansätze sind im Bereich der Pankreas-Organoid-Modellierung polarisiert: Fortschrittliche Organoid-Plattformen für die klinische Transformation sind kostspielig und technisch komplex, während vereinfachte alternative Modelle keine tiefgehende funktionelle Analyse unterstützen. Das in dieser Arbeit vorgeschlagene Protokoll überbrückt diese Forschungslücke, indem es ein standardisiertes, mittleres technisches Schema anbietet. Dieser Ansatz bewahrt die grundlegenden physiologischen Eigenschaften der Bauchspeicheldrüseninseln und ist vollständig mit konventionellen Grundlaborumgebungen kompatibel. Sie dient als praktisches Werkzeug für Forscher, die sich auf Inselentwicklungsmechanismen, Modellierung diabetischer Erkrankungen und vorläufige Bewertung von Arzneimittelkandidaten konzentrieren, insbesondere für Teams mit routinemäßiger Zellkulturinfrastruktur, aber ohne professionelle Stammzellkulturplattformen. Obwohl diese Methode keine vollständig vaskularisierten oder immunologisch kompetenten Organoide für spezifische fortgeschrittene Forschung erzeugen kann, eignet sie sich gut für vorläufige experimentelle Screening, mechanistische Erkundung und akademische Ausbildung in der biologischen Inselforschung.
Diese Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau eines wirtschaftlichen und standardisierten Kultursystems für organoidähnliche Strukturen der Pankreasinseln, mit dem Ziel, ein glaubwürdiges dreidimensionales Forschungsmodell für diabetesbezogene Studien bereitzustellen. Durch die systematische Analyse, wie unterschiedliche Induktionsregime und Kulturumgebungen die Effizienz und morphologische Merkmale der Organoidbildung beeinflussen, versucht diese Forschung, die wichtigsten technischen Hindernisse zu durchbrechen, die den Fortschritt in diesem Bereich einschränken. Die Kernforschungsziele umfassen drei zentrale Aspekte: die Etablierung eines universellen Kulturprotokolls, das auf gewöhnliche Grundlabore ohne ausgefeilte Instrumente anwendbar ist, die Formulierung quantitativer Bewertungsstandards zur Bewertung der Organoidqualität sowie die Optimierung von Kulturstrategien zur Aufrechterhaltung der morphologischen und funktionellen Stabilität der Organoide während der Langzeitinkubation. Die Ergebnisse dieser Studie können solide technische Unterstützung für die in-vitro-experimentelle Exploration bieten und gleichzeitig ein praktisches und verlässliches Modell für die Forschung zu Inselentwicklungsmechanismen und dem Screening hypoglykämischer Medikamente aufbauen.