מורפוגנזה תלת ממדית במעי על שבב של כלבים באמצעות אורגנואידים במעי שמקורם במחלות מעי דלקתיות
9 בפברואר 2024
שילוב של אורגנואידים במעי הכלבי ומערכת מיקרופלואידית של מעיים על שבב מציע מודלים תרגומיים רלוונטיים למחלות מעיים אנושיות. הפרוטוקולים שהוצגו מאפשרים מורפוגנזה תלת-ממדית ומידול דינמי במבחנה של המעי, ומסייעים בפיתוח טיפולים יעילים למחלות מעיים בכלבים ובבני אדם עם One Health.
מטרת המחקר שלנו היא ליצור שיטה לגידול מבנים תלת-ממדיים באמצעות תאי מעיים מבעלי חיים הדומים לבני אדם, במיוחד כלבים. מורפוגנזה של תאי מעיים נחקרה בעיקר באמצעות מודלים של חיות מעבדה, שהם יקרים, גוזלים זמן רב ואינם מייצגים במדויק תהליכים התפתחותיים אנושיים. יתר על כן, מודלים קונבנציונליים סטטיים של תרביות תאים דו-ממדיות חסרים את היכולת לחקות את הארגון המרחבי המורכב של ארכיטקטורת abSerial תלת-ממדית.
השגת החיבור של תאים בודדים שמקורם באורגנואידים במעי על משטח PDMS מצופה ECM הציבה אתגר משמעותי. צעד מרכזי בהתמודדות עם אתגר זה הן בהבטחת ציפוי ECM אחיד באמצעות הפעלת פני השטח והן במתן אפשרות לייבוש בן לילה. השילוב של טכנולוגיית אורגנואיד כלבים שמקורו במטופל עם מורפוגנזה תלת-ממדית במבחנה מציע אפיק מבטיח לביצוע מחקר תרגומי למחלות כרוניות רב-גורמיות, בהתאם ליוזמת הבריאות האחת.
הפרוטוקול למחלות מעי דלקתיות בכלבים, שעלה על שבב, מציע מודל הניתן לשכפול לרפואה השוואתית, המאפשר מחקרים על מורפוגנזה של המעי, אינטראקציות בין מיקרוביום המאכסן, זיהומים, בדיקות סקר של תרופות ופרוביוטיקה, ויש לו ישימות בין מינים.
סקירה כללית
מחקר זה מתמקד בשילוב של אורגנואידים של מעי כלבים עם מערכת מיקרופלואידית מסוג Gut-on-a-Chip, המספקת מודל רלוונטי למחלות מעי בבני אדם. הפרוטוקולים שפותחו מקלים על מורפוגנזה בתלת-ממד ומידול דינמי של המעי במערכת in vitro, ובכך תורמים לקידום טיפולים במחלות מעי הן בכלבים והן בבני אדם.
מרכיבי מפתח במחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- רפואה השוואתית
- מיקרופלואידיקה
רקע
- מורפוגנזה של תאי המעי חיונית להבנת בריאות מערכת העיכול.
- מודלים מסורתיים נכשלים לעיתים קרובות בייצוג מדויק של תהליכים אנושיים.
- מודלים של כלבים מספקים קירוב קרוב יותר למחלות מעי אנושיות.
- יוזמת One Health מדגישה את הקשר ההדדי בין בריאות בני אדם לבריאות בעלי חיים.
מטרת המחקר
- פיתוח מודל הניתן לשחזור לחקר מורפוגנזה של המעי.
- בחינת אינטראקציות בין המאכסן למיקרוביום והשלכותיהן על הבריאות.
- סיוע בביצוע סקרים של תרופות ופרוביוטיקה בהקשר השוואתי.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת התקן Gut-on-a-Chip עם ציפוי ECM.
- הזרעת אורגנואידים של מעי כלבים למערכת המיקרופלואידית.
- החלת זרימה רציפה ומתיחה מחזורית כדי לדמות תנאים פיזיולוגיים.
- צביעה אימונופלואורסצנטית להערכת המבנה התלת-ממדי ותפקוד המחסום.
תוצאות עיקריות
- הקמה מוצלחת של מורפוגנזה תלת-ממדית במערכת המיקרופלואידיקה.
- תצפית על מבנים דמויי סיסאי (villus-like) ומחסומי מעי תפקודיים.
- הדגמת פוטנציאל למחקרי השוואה במחלות מעי.
- תיקוף של המודל עבור מחקרים טרנסלציונליים עתידיים.
מסקנות
- מודל ה-Gut-on-a-Chip הוא כלי מבטיח לחקר בריאות המעי.
- שילוב של אורגנואידים ממבני כלבים משפר את הרלוונטיות של הממצאים.
- גישה זו עולה בקנה אחד עם פרספקטיבת ה-One Health, ותורמת לבריאותם של בני אדם ובעלי חיים כאחד.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שילוב של אורגנואידים של מעי כלבים עם מערכות Gut-on-a-Chip מיקרופלואידיות מאפשר יצירת מודלים דינמיים in vitro בעלי רלוונטיות פיזיולוגית למחקר של מחלות מעי. גישה זו נותנת מענה למגבלות של מודלים סטטיים ומודלים של בעלי חיים מסורתיים, על ידי אספקת פלטפורמה למחקרים תרגומיים וחיזוייים הן בהקשר וטרינרי והן בהקשר אנושי. המודלים המתקבלים תומכים בתובנות חוצות-מינים, ובכך משפרים את התיקוף של מטרות טיפוליות ומפחיתים סיכונים בשלבים מוקדמים של גילוי תרופות למעי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של מסלולים רלוונטיים למחלה באמצעות תאים ראשוניים ממקרים ספונטניים של IBD בכלבים.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של מטרות על ידי שחזור של מורפוגנזה מעית של המעי ותפקוד מחסום בתלת-ממד (3D).
- מסייע בהפחתת סיכונים מנגנוניים באמצעות תצפית ישירה על אינטראקציות בין המיקרוביום של המאכסן לבין התאים האפיתליאליים.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- מספקת פלטפורמה סטנדרטית וניתנת לשחזור לסריקת תרופות ופרוביוטיקה בסביבת מעי דינמית.
- מספקת תוצאות כמותיות, כגון מדידות TEER להערכת שלמות המחסום.
- מכינה מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף להערכה ניתנת להרחבה של תרכובות ולהשוואה בין מינים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתיישר עם אסטרטגיות של ביומרקרים תרגומיים באמצעות מידול של מחלה ספונטנית במסגרת One Health.
- מאפשר רצף משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני תוך שימוש במודלים קניניים רלוונטיים פיזיולוגית.
- תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון על ידי גישור בין מחקרים של מחלות מעיים בוטרינריות ואנושיות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת נתונים
פרוטוקול Gut-on-a-Chip זה ממוקם בנקודת המפגש בין שלבי הגילוי המוקדמים, זיהוי מועמדים (lead identification) ומחקר פרה-קליני עבור תוכניות מחקר של מחלות מעי.
- ביולוגיה של גילוי: מקדמת בדיקת השערות והבהרת מסלולים במערכות הרלוונטיות למחלה.
- סריקה: מבססת את מוכנות הבדיקה והשחזור עבור בדיקות תפקוד ומחסום.
- אנליטיקה: מאפשרת קריאות כמותיות כגון TEER ואנליזה מבנית אימונופלואורסצנטית.
- מחקר תרגומי: מספקת פלטפורמה רב-מינית להתאמת סמנים ביולוגיים ומחקרים השוואתיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה מערכת מיקרופלואידית הניתנת לשימוש חוזר וניתנת להתאמה למודלים שונים של מחלות מעי.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית במידול של מחלות מעי.
- ערך תפעולי: מספק תהליכי עבודה סטנדרטיים, ניתנים להרחבה ולשחזור עבור בדיקות מבוססות אורגנואידים.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך הפיתוח (go/no-go) ואת יעילות ההון על ידי מתן אפשרות להפחתת סיכונים בשלב מוקדם.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של תרופות למעי בין מינים שונים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בתרביות אורגנואידים, מיקרופלואידיקה וטיפול ברקמות של כלבים.
- נדרשת גישה לציפוי ECM, למכשור מיקרופלואידי ולתשתית למדידת TEER.
- נדרש סטנדרטיזציה בין צוותים לצורך ציפוי ECM וזריעת תאים הניתנים לשחזור.
- התאמה בין מינים או מודלים של מחלות עשויה לדרוש אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- מגבלות כוללות אתגרים טכניים בהצמדה אחידה של תאים ובשמירה על מורפוגנזה תלת-ממדית.
