Profilierung des luminalen pH-Werts in dreidimensionalen gastrointestinalen Organoiden mit Hilfe von Mikroelektroden
5. Juli 2024
Das vorliegende Protokoll beschreibt pH-Messungen in aus menschlichem Gewebe gewonnenen Magenorganoiden unter Verwendung von Mikroelektroden zur raumzeitlichen Charakterisierung der intraluminalen Physiologie.
Das übergeordnete Ziel unserer Forschung ist es, zu verstehen, wie Magenepithelzellen, Immunzellen, Stromazellen und ihre Produkte wie Zytokine und Schleim zusammenarbeiten, um auf eine Infektion mit dem Magenerreger Helicobacter pylori zu reagieren. Zu diesem Zweck versuchen wir, komplexe physiologisch relevante Modelle der menschlichen Magenschleimhaut zu erstellen. Frühere Studien mit Magenorganoiden haben widersprüchliche Ergebnisse hinsichtlich der Fähigkeit dieser Modelle gezeigt, säuresezernierende Parietalzellen zu erhalten.
Mit Hilfe der pH-Mikroelektroden konnten wir zeigen, dass menschliche Magenorganoide in Abwesenheit spezifischer Differenzierungs- oder Stimulationsprotokolle einen nahezu neutralen pH-Wert im Lumen aufrechterhalten. In Bezug auf die Zugänglichkeit hat das Organoid-Lumen unser Verständnis der Mikroumgebung darin lange Zeit eingeschränkt. Wir demonstrieren die ersten erfolgreichen pH-Messungen von Mikroelektroden zur funktionellen Charakterisierung von Organoiden.
Unsere mikroelektrodenbasierte Methode könnte Forschern ein zuverlässiges Werkzeug an die Hand geben, das an ihre spezifischen Bedürfnisse angepasst werden kann. Bisher wurde bei der pH-Messung in gastrointestinalen Organoiden pH-empfindliche Farbstoffe verwendet, die zur Quantifizierung auf mikroskopischer Bildgebung beruhen. Der Hauptvorteil der Verwendung von Mikroelektroden besteht darin, dass sie genaue numerische pH-Messwerte liefern.
Darüber hinaus kann der intraluminale pH-Wert in Echtzeit und mit hervorragender räumlicher Auflösung aufgezeichnet werden. Wir arbeiten an einem voll funktionsfähigen Modell der menschlichen Magenschleimschicht mit dem physiologischen pH-Gradienten, damit wir die Rolle dieser Barriere bei der Helicobacter-pylori-Infektion untersuchen können. Das ultimative Ziel ist es, neue zytoprotektive Behandlungen zu entwickeln, die die Schleimschicht stärken und das Eindringen von Bakterien verhindern.
Übersicht
Dieses Protokoll beschreibt die Verwendung von Mikroelektroden für pH-Messungen in aus menschlichem Gewebe stammenden Magen-Organoide, wodurch eine räumlich-zeitliche Charakterisierung der intraluminalen Physiologie ermöglicht wird. Das Ziel der Studie ist es, das Verständnis der Reaktionen des Magenepithels auf eine Infektion mit Helicobacter pylori zu vertiefen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Gastroenterologie
- Zellbiologie
Hintergrund
- Gastrische Organoiden werden verwendet, um die humane Magenschleimhaut zu modellieren.
- Frühere Studien zeigten widersprüchliche Ergebnisse bezüglich säuresekretierender Belegzellen.
- Das Verständnis der Mikroumgebung innerhalb von Organoiden ist entscheidend für die Erforschung der Magenphysiologie.
- Mikroelektroden bieten eine neue Methode zur genauen pH-Messung.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer zuverlässigen Methode zur Messung des intraluminalen pH-Werts in gastralen Organoiden.
- Untersuchung der Rolle der Magenschleimschicht bei einer Helicobacter pylori-Infektion.
- Erstellung eines Modells, das zu neuen zytoprotektiven Therapien führen kann.
Verwendete Methoden
- Herstellung menschlicher Magen-Organoide.
- Verwendung von Mikroelektroden zur Echtzeit-pH-Messung.
- Kalibrierung der Mikroelektroden für genaue Messwerte.
- Aufzeichnung des pH-Werts in verschiedenen Regionen der Organoide.
Hauptergebnisse
- Menschliche Magen-Organoide halten einen nahezu neutralen pH-Wert ohne spezifische Protokolle aufrecht.
- Mikroelektroden ermöglichen präzise pH-Messungen und räumliche Auflösung.
- Es wurde eine Variation des luminalen pH-Werts über mehrere Organoide hinweg beobachtet.
- Die Methode kann an verschiedene Forschungsanforderungen angepasst werden.
Schlussfolgerungen
- Die mikroelektrodenbasierte Methode eignet sich zur Untersuchung der Physiologie von Magenorganoiden.
- Das Verständnis der pH-Dynamik kann Behandlungsstrategien bei Mageninfektionen unterstützen.
- Dieser Ansatz erweitert das Potenzial zur Entwicklung neuer therapeutischer Interventionen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die quantitative Profilierung des luminalen pH-Werts in 3D-gastrointestinalen Organoiden mittels Mikroelektroden ermöglicht eine präzise funktionelle Charakterisierung von krankheitsrelevanten Gewebemodellen. Diese Fähigkeit stärkt das Vorhersagevertrauen in frühen Entdeckungsphasen und bei der Zielvalidierung in der Magenschleimhautbiologie, insbesondere in Infektions- und Barrierefunktionsstudien. Zuverlässige intraluminale Messungen erleichtern die translationale Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Modellentwicklung in biopharmazeutischen F&E-Portfolios.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Überprüfung von Hypothesen zur epithelialen Funktion und Barrierefunktion in physiologisch relevanten Organoidsystemen.
- Unterstützt die biologische Risikominimierung, indem direkte, quantitative Messwerte von Veränderungen im luminalen Mikromilieu bereitgestellt werden.
- Erleichtert die funktionelle Zielstrukturvalidierung für Signalwege, die an Mageninfektionen und der Schleimhautabwehr beteiligt sind.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bereitet validierte Organoidmodelle für die nachgeschaltete Wirkstoffscreening und mechanistische Studien vor.
- Liefert standardisierte, reproduzierbare und quantitative pH-Werte für die Assay-Entwicklung.
- Ermöglicht die hochauflösende, Echtzeit-Überwachung luminaler Bedingungen zur Unterstützung zuverlässiger Wirkstoffevaluierung.
Translationale und präklinische Forschung
- Stimmt die Ergebnisse von Organoid-Modellen mit physiologischen Parametern, die für die jeweilige Erkrankung relevant sind, ab, um translationsorientierte Biomarker zu entwickeln.
- Ermöglicht die Kontinuität von der in-vitro-Entdeckung bis zur präklinischen Validierung von Magenschleimhautbarrierefunktion und Infektionsmodellen.
- Unterstützt risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung, indem die mechanistischen Grundlagen von kandidatenbasierten Interventionen geklärt werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese auf Mikroelektroden basierende pH-Profilierungsmethode ist in die Entwicklungs- bis präklinische Kontinuum integriert und verbindet die frühe Hypothesenprüfung mit der Validierung translationsnaher Modelle.
- Entdeckungsbiochemie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung und Klärung von Signalwegen in komplexen Organoid-Systemen.
- Screening: Bietet reproduzierbare, quantitative pH-Messungen zur Bewertung der Assay-Bereitschaft und Standardisierung.
- Analytik: Liefert hochauflösende, echtzeitfähige Messwerte zum Vergleich experimenteller Bedingungen und Modellergebnisse.
- Translationale Forschung: Verbindet in-vitro-Ergebnisse mit präklinischen Modellen, indem physiologische pH-Gradienten und Barrierefunktion berücksichtigt werden.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform zur funktionellen Charakterisierung in unterschiedlichen, auf Organoiden basierenden Studien.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Unschärfen in der Forschung zur Magenschleimhaut.
- Operationaler Wert: Standardisiert die Messung des luminalen pH-Werts mit skalierbarer, reproduzierbarer Messtechnik.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch von Projekten sowie die Kapitalnutzungseffizienz, indem funktionelle Modellergebnisse klarer dargestellt werden.
- Portfolio-Implikation: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Entdeckungs- und präklinischen Programmen, die auf Magenbarriere- und Infektionswegen abzielen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Organoidkultur und im Betrieb mikromanipulatorgesteuerter Mikroelektroden.
- Benötigt Zugang zu kalibrierten Mikroelektroden, Referenzelektroden und kompatibler Analyse-Software.
- Erfordert eine standardisierte Methodik über mehrere Arbeitsgruppen hinweg, um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.
- Möglicherweise sind Anpassungen für verschiedene Organoid-Typen oder luminalen Umgebungen notwendig.
- Die räumliche Auflösung und die Dauer der Messung sind durch die Größe der Organoiden und die Stabilität der Elektrode begrenzt.
