Dreidimensionale Morphogenese im Darm-on-a-Chip von Hunden unter Verwendung von Darmorganoiden, die von Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen stammen
9. Februar 2024
Die Integration von caninen Darmorganoiden und einem mikrofluidischen Gut-on-a-Chip-System bietet relevante translationale Modelle für menschliche Darmerkrankungen. Die vorgestellten Protokolle ermöglichen eine 3D-Morphogenese und eine dynamische In-vitro-Modellierung des Darms und helfen so bei der Entwicklung wirksamer Behandlungen für Darmerkrankungen bei Hunden und Menschen mit One Health.
Unser Forschungsziel ist es, eine Methode zur Züchtung von 3D-Strukturen mit Darmzellen von menschenähnlichen Tieren, insbesondere Hunden, zu entwickeln. Die zelluläre Morphogenese des Darms wurde weitgehend anhand von Labortiermodellen untersucht, die kostspielig und zeitaufwändig sind und die menschlichen Entwicklungsprozesse nicht genau abbilden. Darüber hinaus sind herkömmliche statische 2D-Zellkulturmodelle nicht in der Lage, die komplexe räumliche Organisation einer 3D-abSerial-Architektur nachzuahmen.
Die Anheftung einzelner Zellen aus Darmorganoiden an die ECM-beschichtete PDMS-Oberfläche stellte eine große Herausforderung dar. Ein entscheidender Schritt, um diese Herausforderung zu meistern, besteht darin, sowohl eine gleichmäßige ECM-Beschichtung durch Oberflächenaktivierung zu gewährleisten als auch sie über Nacht trocknen zu lassen. Die Integration der von Patienten stammenden caninen Organoid-Technologie mit der In-vitro-3D-Morphogenese bietet einen vielversprechenden Weg für die Durchführung translationaler Forschung zu chronischen multifaktoriellen Erkrankungen im Einklang mit der One Health Initiative.
Das Protokoll für CED bei Hunden, das auf einem Chip steht, bietet ein replizierbares Modell für die vergleichende Medizin, das Studien zur Darmmorphogenese, Wirt-Mikrobiom-Interaktionen, Infektionen, Medikamenten- und Probiotika-Screenings ermöglicht, und ist speziesübergreifend anwendbar.
Übersicht
Diese Studie konzentriert sich auf die Integration von caninen intestinalen Organoiden mit einem Darm-auf-einem-Chip-Mikrofluidik-System und bietet damit ein relevantes Modell für menschliche Darmerkrankungen. Die entwickelten Protokolle ermöglichen die 3D-Morphogenese und die dynamische in-vitro-Modellierung des Darms und tragen so zur Verbesserung von Therapien für Darmerkrankungen bei Hunden und Menschen bei.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Vergleichende Medizin
- Mikrofluidik
Hintergrund
- Die intestinale zelluläre Morphogenese ist entscheidend für das Verständnis der Darmgesundheit.
- Herkömmliche Modelle stellen menschliche Vorgänge oft nicht genau dar.
- Hundemodelle liefern eine genauere Annäherung an menschliche Darmerkrankungen.
- Die One-Health-Initiative betont die Verflechtung von menschlicher und tierischer Gesundheit.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines replizierbaren Modells zur Untersuchung der Darm-Morphogenese.
- Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikrobiom sowie deren Auswirkungen auf die Gesundheit.
- Ermöglichung von Arzneimittel- und Probiotika-Screenings in einem vergleichenden Kontext.
Verwendete Methoden
- Herstellung des Gut-on-a-Chip-Geräts mit ECM-Beschichtung.
- Einbringen caniner intestinaler Organoiden in das mikrofluidische System.
- Anlegen von kontinuierlichem Fluss und zyklischer Dehnung zur Nachbildung physiologischer Bedingungen.
- Immunfluoreszenzfärbung zur Beurteilung der 3D-Struktur und Barrierefunktion.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Etablierung der 3D-Morphogenese in dem mikrofluidischen System.
- Beobachtung von villusähnlichen Strukturen und funktionellen intestinalen Barrieren.
- Nachgewiesenes Potenzial für vergleichende Studien bei Darmkrankheiten.
- Validierung des Modells für zukünftige translationsmedizinische Forschung.
Schlussfolgerungen
- Das Darm-auf-einem-Chip-Modell ist ein aussichtsreiches Werkzeug zur Untersuchung der Darmgesundheit.
- Die Integration von caninen Organoiden erhöht die Relevanz der Ergebnisse.
- Dieser Ansatz steht im Einklang mit der One-Health-Perspektive und kommt sowohl der menschlichen als auch der Tiergesundheit zugute.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die Integration von caninen intestinalen Organoiden mit mikrofluidischen Darm-auf-einem-Chip-Systemen ermöglicht physiologisch relevante, dynamische In-vitro-Modelle für die Forschung zu Darmerkrankungen. Dieser Ansatz überwindet die Einschränkungen traditioneller statischer und tierbasierter Modelle, indem er eine Plattform für prädiktive, translationsorientierte Studien sowohl im veterinärmedizinischen als auch im humanmedizinischen Bereich bereitstellt. Die resultierenden Modelle unterstützen erkenntnisseübergreifende Erkenntnisse über Spezies hinweg und verbessern die Zielvalidierung sowie die Risikominimierung in der frühen Entwicklungsphase von Darmtherapeutika.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Untersuchung krankheitsrelevanter Signalwege unter Verwendung von Primärzellen aus spontanen Hunden mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (IBD).
- Unterstützt die funktionelle Zielvalidierung durch Rekapitulation der dreidimensionalen Darm-Morphogenese und Barrierefunktion.
- Erleichtert die mechanistische Ent-Risikobewertung durch direkte Beobachtung von Wirt-Mikrobiom- und epithelialen Wechselwirkungen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet eine standardisierte, reproduzierbare Plattform für die Untersuchung von Wirkstoffen und Probiotika in einem dynamischen Darmmilieu.
- Liefert quantitative Ergebnisse wie TEER-Messungen zur Beurteilung der Barrierefunktion.
- Bereitet validierte biologische Systeme für die skalierbare Evaluierung von Substanzen und den vergleichenden Einsatz über Arten hinweg vor.
Translationale und präklinische Forschung
- Ermöglicht im Einklang mit translationalen Biomarker-Strategien die Modellierung spontaner Erkrankungen in einem One-Health-Rahmenkonzept.
- Ermöglicht Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung unter Verwendung physiologisch relevanter Hundemodelle.
- Unterstützt risikoadjustierte Entscheidungen zur Weiterentwicklung, indem es die Forschung zu Darmerkrankungen bei Tieren und Menschen verbindet.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses Gut-on-a-Chip-Protokoll positioniert sich am Schnittpunkt zwischen früher Entdeckung, Lead-Identifizierung und präklinischer Forschung für Programme zu Darmerkrankungen.
- Entdeckungsbiologie: Verbessert die Hypothesenprüfung und Klärung von Wegen in krankheitsrelevanten Systemen.
- Screening: Stellt die Bereitschaft und Reproduzierbarkeit von Assays für funktionelle und Barrierefunktionstests sicher.
- Analytik: Ermöglicht quantitative Auswertungen wie TEER und immunfluoreszenzbasierende strukturelle Analysen.
- Translationale Forschung: Bietet eine plattformübergreifende, artenübergreifende Grundlage für die Abstimmung von Biomarkern und vergleichende Studien.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet ein wiederverwendbares mikrofluidisches System, das an verschiedene Modelle von Darmerkrankungen angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Unschärfen bei der Modellierung von Darmerkrankungen.
- Operationaler Wert: Bietet standardisierte, skalierbare und reproduzierbare Arbeitsabläufe für Organoid-basierte Assays.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung hinsichtlich Fortführung oder Einstellung von Projekten und die Kapitalnutzung, indem eine frühzeitige Risikominimierung ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und die zügige Weiterentwicklung intestinaler Therapeutika über Spezies hinweg.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Organoidkultur, Mikrofluidik und im Umgang mit Hunde-Geweben.
- Benötigt Zugang zu ECM-Beschichtung, mikrofluidischen Geräten und Infrastruktur zur Messung des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER).
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Teams hinweg für reproduzierbare ECM-Beschichtung und Zellseeding.
- Die Übertragung auf andere Arten oder Krankheitsmodelle kann eine Optimierung des Protokolls erfordern.
- Zu den Einschränkungen zählen technische Herausforderungen bei der gleichmäßigen Zellanheftung und Aufrechterhaltung der 3D-Morphogenese.
