מודל מעי-על-שבב חיסוני לניתוח תגובות חיסוניות של רירית המעי
24 במאי 2024
הפרוטוקול המפורט שלנו מתאר את היצירה והשימוש במודל מעי על שבב מתקדם, המדמה רירית מעיים אנושית עם מבנים תלת-ממדיים וסוגי תאים שונים, ומאפשר ניתוח מעמיק של תגובות חיסוניות ותפקודים תאיים בתגובה להתיישבות מיקרוביאלית.
המחקר שלנו מתמקד בפיתוח ושימוש בפלטפורמות איברים-על-שבב חיסוניות. על ידי יצירת מודלים פיזיולוגיים רלוונטיים אלה, אנושיים במבחנה, אנו מסוגלים לחקור את האינטראקציה המורכבת בין המארח לפתוגן. הידע שאנו יוצרים יכול לשמש למניפולציה וזיהוי מטרות מולקולריות לטיפול במחלות זיהומיות.
אחד האתגרים המרכזיים הוא שמירה על מיקרוביוטה חיה בתנאים הומיאוסטטיים לצד רקמת המאכסן במבחנה. זה כולל שכפול הטופוגרפיה התלת-ממדית האורגנוטיפית של מבני קריפטה ווילוס וההתיישבות המיקרוביאלית שלהם. פלטפורמות מעי על שבב מטפלות בכך על ידי שימוש בזרימה כדי לעצב את המבנים האורגנוטיפיים ולמנוע צמיחת יתר של חיידקים.
זה מבטיח תנאי תרבות יציבים. בהשוואה לפלטפורמות זמינות אחרות של מעי על שבב, המודל שלנו מאפשר מחקר מפורט של התגובה החיסונית האנושית לפתוגנים עקב הכללת תאי חיסון ראשוניים השוכנים ברקמות. בנוסף, גודל המודל מאפשר קריאות מרובות בניסוי אחד, מה שמפחית את העלות הכוללת ואת מספר הניסויים.
המעבדה שלנו מתמקדת בשימוש בתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים לפיתוח מערכות אוטולוגיות המאפשרות רפואה מותאמת אישית.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול מפורט לפיתוח מודל מתקדם של מעי-על-שבב (intestine-on-chip) המדמה את הרירית של מעי האדם. המודל משלב מבנים תלת-ממדיים וסוגים שונים של תאים, ובכך מאפשר ניתוח של תגובות חיסוניות ותפקודים תאיים בהקשר של התאושבות מיקרוביאלית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- ביולוגיה
- מיקרוביולוגיה
רקע
- פיתוח של פלטפורמות איבר-על-שבב (organ-on-chip) בעלות יכולת תגובה חיסונית.
- חשיבותם של חקירת אינטראקציות בין מאחס לפתוגן.
- אתגרים בשמירה על מיקרוביוטה חיה in vitro.
- הצורך בשחזור של מבנים תלת-ממדיים (3D) אורגנוטיפיים.
מטרת המחקר
- ליצור מודלים in vitro אנושיים בעלי רלוונטיות פיזיולוגית.
- לנתח תגובות חיסוניות לקולוניזציה מיקרוביאלית.
- לזהות מטרות מולקולריות לטיפול במחלות זיהומיות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יצירת פלטפורמות של מעי-על-שבב.
- שימוש בזרימה לעיצוב מבנים אורגנוטיפיים.
- שמירה על תנאי הומאוסטזיס עבור מיקרוביוטה.
- ניתוח מעמיק של תפקודים תאיים.
תוצאות עיקריות
- סימולציה מוצלחת של רירית המעי האנושית.
- הבנה משופרת של תגובות חיסוניות.
- תובנות לגבי השפעות של התנחלות מיקרובלית.
- יישומים פוטנציאליים בזיהוי מטרות טיפוליות.
מסקנות
- מודל המעי-על-שבב הוא כלי בעל ערך למחקר.
- הוא מאפשר לחקור אינטראקציות מורכבות בסביבה מבוקרת.
- מחקרים עתידיים יוכלו לנצל מודל זה למחקר של מחלות זיהומיות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות לתעשייה
מודל המעי-על-שבב (intestine-on-chip) בעל תגובה חיסונית מאפשר ניתוח ברמה גבוהה של תגובות חיסוניות ברירית המעי בתנאים רלוונטיים פיזיולוגית, ובכך נותן מענה לפער קריטי בגילויים פרה-קליניים. באמצעות שילוב של תאי מערכת חיסון אנושיים ראשוניים ותמיכה באינטראקציות מורכבות בין המאכסן למיקרוביוטה, פלטפורמה זו מגבירה את הביטחון החזוי לאישור יעדים (target validation) ולהפחתת סיכונים מכניסטיים במסלולי פיתוח של מחלות זיהומיות ודלקתיות. מדדי התפקוד הרב-ערוציים שלה והתאימות שלה לדימיון מתקדם ממיקומה כנכס הניתן לשימוש חוזר למחקר תרגומי ולסיווג תיקי פיתוח.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הכוללות את החסינות של רירית המעי ואינטראקציות בין המאחסן לפתוגן.
- תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות מידול תגובות של תאי חיסון תלויי-רקמה לקולוניזציה מיקרוביאלית.
- מסייע בתיקוף פונקציונלי של מטרות באמצעות מדדים כמותיים כגון שחרור ציטוקינים וחדירה של תאי חיסון.
- משפר את רמת הביטחון החזויה לקידום מטרות המעורבות בתפקוד מחסום המעי ובמודולציה חיסונית.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מספק מערכת אורגנוטיפית מתוקתקת להערכה סטנדרטית של השפעות תרכובות על שלמות אפיתליאלית ואקטיבציה חיסונית.
- מספק תוצרי multiplex שחזירים, כולל בדיקות חדירות ומדדי דיפרנציאציה תאית המבוססים על אימונופלורסצנציה.
- מאפשר סריקה ניתנת להרחבה (scalable) של מולקולות מועמדות או ביולוגיות בסביבה פיזיולוגית רלוונטית.
- תומך בהערכה מהימנה של התערבויות המכוונות למסלולים חיסוניים או למערכת המיקרוביוטה של המארח.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתואם עם מנגנונים הרלוונטיים למחלה על ידי מידול של תגובות חיסוניות ריריות אנושיות לאתגרים חיידקיים ופטריתיים.
- מגשר בין שלב הגילוי לאישור פרה-קליני באמצעות המשכיות של מדדים תפקודיים ומבניים.
- מסייע בקבלת החלטות על קידום נכסים המכוונים להומיאוסטזיס חיסוני במעי או לזיהומים, תוך התחשבויות בסיכונים.
- מספק תובנות מנגנוניות התומכות בפיתוח ביומרקרים תרגומיים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
מודל מעי-על-שבב זה מתאים לשלבים החל מגילוי מוקדם, דרך זיהוי מובילים (lead identification) ועד למחקרים מכניסטיים פרה-קליניים, ובכך הוא תומך בבדיקה איטרטיבית של השערות ובתעדוף מטרות.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בדיקה חסונה של השערת הַבִּטּוּל (null hypothesis) עבור נתיבי תגובה חיסונית ותפקוד מחסום תחת חשיפה מיקרוביאלית מבוקרת.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים וניתנים לשחזור לצורך מיון תרכובות וסטנדרטיזציה של בדיקות.
- אנליטיקה: תומכת במדידות מרובות (multiplexed), כולל פרופיל ציטוקינים, חדירת תאי מערכת החיסון ושלמות אפיתלית.
- מחקר תרגומי: מספקת פלטפורמה להתאמת ממצאים in vitro עם סמנים ביולוגיים הרלוונטיים למחלה ונקודות סיום פרה-קליניות.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כמערכת מודולרית וניתנת להרחבה, הניתנת להתאמה לתוכניות מו"פ מגוונות הקשורות למעי.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף מטרות חיסוניות במעי.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של זרימות עבודה מורכבות של תרביות משולבות (co-culture) ומאפשר יצירה שמימה של נתונים מרובי-פרמטרים (multiplexed).
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) ואת יעילות ההון על ידי הפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכון ובקידום נכסים המכוונים לחסינות של המעי או לזיהומים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטיפול בשבבים ביו-מיקרופלואידיים ובטכניקות מתקדמות של תרביות תאים.
- דורש גישה לדימוי באימונופלורסצנציה ותשתיות אנליטיות מרובות-ערוצים (multiplexed).
- מחייב סטנדרטיזציה בין צוותים לצורך הדירות והשוואתיות של הנתונים.
- התאמה למקורות שונים של תאי מערכת החיסון או למינים מיקרוביאליים שונים עשויה לדרוש אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- מורכבות המודל ושמירה על הומאוסטזיס של המיקרוביוטה מהוות מגבלות מעשיות לשימוש בסריקה רחבה (high-throughput).
