Immunkompetentes Darm-on-Chip-Modell zur Analyse der Immunantworten der Darmschleimhaut
24. Mai 2024
Unser detailliertes Protokoll beschreibt die Erstellung und Verwendung des fortschrittlichen Darm-on-Chip-Modells, das die menschliche Darmschleimhaut mit 3D-Strukturen und verschiedenen Zelltypen simuliert und eine eingehende Analyse von Immunantworten und zellulären Funktionen als Reaktion auf mikrobielle Besiedlung ermöglicht.
Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung und den Einsatz immunkompetenter Organ-on-Chip-Plattformen. Durch die Erstellung dieser physiologisch relevanten, humanisierten in vitro-Modelle sind wir in der Lage, die komplexe Wirt-Pathogen-Interaktion zu untersuchen. Das Wissen, das wir schaffen, kann genutzt werden, um molekulare Ziele für die Therapie von Infektionskrankheiten zu manipulieren und zu identifizieren.
Eine zentrale Herausforderung besteht darin, eine lebende Mikrobiota unter homöostatischen Bedingungen neben dem Wirtsgewebe in vitro zu erhalten. Dazu gehört die Nachbildung der organotypischen 3D-Topographie von Krypten- und Zottenstrukturen und deren mikrobielle Besiedlung. Darm-on-Chip-Plattformen lösen dieses Problem, indem sie die Flüssigkeit nutzen, um die organotypischen Strukturen zu formen und bakterielles Überwachsen zu verhindern.
Dies gewährleistet stabile Kulturbedingungen. Im Vergleich zu anderen verfügbaren Darm-on-Chip-Plattformen ermöglicht unser Modell eine detaillierte Untersuchung der menschlichen Immunantwort auf Krankheitserreger durch die Einbeziehung von primären, geweberesidenten Immunzellen. Darüber hinaus ermöglicht die Modellgröße mehrere Auslesungen in einem einzigen Experiment, wodurch die Gesamtkosten und die Anzahl der Experimente reduziert werden.
Unser Labor konzentriert sich auf die Verwendung von induzierten pluripotenten Stammzellen, um autologe Systeme zu entwickeln, die eine personalisierte Medizin ermöglichen.
Übersicht
In diesem Artikel wird ein ausführliches Protokoll zur Entwicklung eines fortschrittlichen Darm-auf-einem-Chip-Modells vorgestellt, das die humane Darmschleimhaut simuliert. Das Modell beinhaltet 3D-Strukturen und verschiedene Zelltypen und ermöglicht die Analyse von Immunantworten sowie zellulären Funktionen im Zusammenhang mit mikrobieller Besiedlung.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Biologie
- Mikrobiologie
Hintergrund
- Entwicklung immunkompetenter Organ-auf-einem-Chip-Plattformen.
- Bedeutung der Untersuchung von Wirt-Pathogen-Interaktionen.
- Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung lebender Mikrobiota in vitro.
- Notwendigkeit der Replikation organspezifischer 3D-Strukturen.
Zweck der Studie
- Erstellung physiologisch relevanter humanisierter In-vitro-Modelle.
- Analyse der Immunantworten auf mikrobielle Besiedlung.
- Identifizierung molekularer Zielstrukturen für die Therapie infektiöser Krankheiten.
Verwendete Methoden
- Erstellung von Darm-auf-einem-Chip-Plattformen.
- Verwendung von Strömung zur Gestaltung organotypischer Strukturen.
- Aufrechterhaltung von homöostatischen Bedingungen für die Mikrobiota.
- Umfassende Analyse zellulärer Funktionen.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Simulation der menschlichen Darmschleimhaut.
- Verbessertes Verständnis der Immunantworten.
- Erkenntnisse zu den Auswirkungen der mikrobiellen Kolonisation.
- Potentielle Anwendungen bei der Identifizierung therapeutischer Zielstrukturen.
Schlussfolgerungen
- Das Darm-auf-einem-Chip-Modell ist ein wertvolles Werkzeug für die Forschung.
- Es ermöglicht die Untersuchung komplexer Wechselwirkungen in einer kontrollierten Umgebung.
- Zukünftige Studien können dieses Modell für die Forschung zu Infektionskrankheiten nutzen.
Häufig gestellte Fragen
Aussagekräftige Relevanz für die Industrie
Das immunokompetente Darm-auf-einem-Chip-Modell ermöglicht eine hochpräzise Analyse der immunologischen Reaktionen der Darmschleimhaut unter physiologisch relevanten Bedingungen und schließt damit eine entscheidende Lücke in der präklinischen Forschung. Durch die Integration primärer humaner Immunzellen und die Unterstützung komplexer Wirt-Mikrobiota-Interaktionen erhöht diese Plattform die Vorhersagesicherheit bei der Zielstrukturvalidierung und der mechanistischen Risikominimierung in der Entwicklung von Therapien gegen infektiöse und entzündliche Erkrankungen. Ihre multiplexfähigen funktionellen Endpunkte sowie die Kompatibilität mit fortschrittlichen bildgebenden Verfahren machen sie zu einer wiederverwendbaren Ressource für translationsmedizinische Forschung und die Priorisierung von Forschungsprojekten.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen, die die Mukosalimmunität des Darms und Wirt-Pathogen-Interaktionen betreffen.
- Unterstützt die biologische Ent风险bewertung, indem die Reaktionen gewebeansässiger Immunzellen auf mikrobielle Besiedlung modelliert werden.
- Erleichtert die funktionelle Zielstrukturvalidierung durch quantitative Messgrößen wie Zytokinfreisetzung und Immunzellinfiltration.
- Verbessert die Vorhersagesicherheit für die Weiterentwicklung von Zielstrukturen, die an der Darmbarrierefunktion und Immunmodulation beteiligt sind.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet ein validiertes, organotypisches System zur standardisierten Beurteilung der Wirkung von Substanzen auf die epitheliale Integrität und die Immunaktivierung.
- Liefert reproduzierbare, multiplexfähige Ergebnisse, einschließlich Permeationsassays und immunfluoreszenzbasierten Metriken zur Zelldifferenzierung.
- Ermöglicht ein skalierbares Screening von Wirkstoffkandidaten oder Biologika in einem physiologisch relevanten Mikromilieu.
- Ermöglicht die zuverlässige Bewertung von Interventionen, die auf Wirt-Mikrobiota- oder Immunwege abzielen.
Translationale und präklinische Forschung
- Ermöglicht die Übereinstimmung mit krankheitsrelevanten Mechanismen, indem menschliche Schleimhaut-Immunantworten auf bakterielle und pilzliche Herausforderungen modelliert werden.
- Verbindet Entdeckung und präklinische Validierung durch kontinuierliche funktionelle und strukturelle Messgrößen.
- Erleichtert risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung von Wirkstoffen, die auf die Immunhomöostase oder Infektionen im Darm abzielen.
- Liefert mechanistische Erkenntnisse, die die Entwicklung translationsfördernder Biomarker unterstützen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses Darm-auf-einem-Chip-Modell eignet sich von der frühen Entdeckung über die Identifizierung von Leitverbindungen bis hin zu präklinischen mechanistischen Studien und unterstützt die iterative Überprüfung von Hypothesen sowie die Priorisierung von Zielstrukturen.
- Entdeckungsbiochemie Ermöglicht eine robuste Nullhypothesenprüfung von Immunreaktionswegen und Barrierefunktionen unter kontrollierter mikrobieller Exposition.
- Screening: Liefert quantitative, reproduzierbare Ergebnisse für die Substanztriage und die Standardisierung von Assays.
- Analytik: Unterstützt multiplexierte Messungen, einschließlich Zytokin-Profilierung, Immunzellinfiltration und epithelialer Integrität.
- Translationale Forschung Bietet eine Plattform, um in vitro-Ergebnisse mit krankheitsrelevanten Biomarkern und präklinischen Endpunkten zu verknüpfen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Funktioniert als modulares, skalierbares System, das an verschiedene, gastrointestinalen Bereichen verwandte Fragestellungen anpassbar ist&D Programme.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Unschärfen bei der Validierung von Zielstrukturen des Darmsystems.
- Operationaler Wert: Standardisiert komplexe Kokultivierungsabläufe und ermöglicht die Erzeugung reproduzierbarer, multiplexer Daten.
- Strategischer Wert: Verbessert die Qualität von Go/No-Go-Entscheidungen und die Kapitalnutzungseffizienz, indem biologische Risiken in späteren Phasen reduziert werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Wirkstoffen, die auf intestinale Immunität oder Infektionen abzielen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse im Umgang mit mikrofluidischen Biochips und fortgeschrittenen Zellkultivierungstechniken.
- Setzt Zugang zu immunfluoreszenzbasierten Bildgebungsverfahren und multiplexfähiger analytischer Infrastruktur voraus.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg, um Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Daten zu gewährleisten.
- Die Anpassung an verschiedene Quellen von Immunzellen oder an unterschiedliche mikrobielle Arten kann eine Optimierung des Protokolls erfordern.
- Die Komplexität des Modells sowie die Aufrechterhaltung einer homöostatischen Mikrobiota stellen praktische Einschränkungen für den Einsatz in Hochdurchsatzverfahren dar.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:36
Harvesting and Seeding of Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) for Human Intestine‐on‐Chip Model
4:03
Microfluidic Perfusion of HUVEC and C2BBe1 Cultured Biochips for Analyzing Immune Responses to Microbial Colonization
