이미징 마이크로플레이트에서 프리캐스트 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG) 하이드로겔을 사용하여 혈관화된 골수 틈새의 간단한 설정
2023년 5월 19일
골수 혈관 틈새의 시험관 내 모델은 중간엽 및 내피 세포를 프리캐스트 3D PEG 하이드로겔에 파종하여 설정됩니다. 틈새의 내피 네트워크, ECM 성분 및 ALP 활성은 사용된 성장 인자에 따라 다릅니다. 이 플랫폼은 진행된 암 모델에 사용할 수 있습니다.
대부분의 체외 혈관 형성 연구는 자연적으로 파생된 매트릭스를 사용합니다. 일반적으로 생물학적 과정에 매우 전도성이 높지만 고유한 생물학적 활성은 단일 매개변수의 영향에 대한 연구를 복잡하게 만듭니다. 여기에서 관심 있는 플레이어를 선택적으로 추가하고 시스템이 어떻게 변경되는지 평가할 수 있습니다.
우리의 빈 슬레이트 합성 하이드로겔에 세포를 순차적으로 파종하면 매우 정의된 틈새를 형성할 수 있습니다. 여기에서 hBMMS는 하이드로겔을 식민지화하고 고유한 세포외 기질을 침착시킵니다. 이것은 후속적으로 시딩된 내피 세포에 대한 기질을 제공한다.
이 기능은 다른 3D 체외 모델에서는 일반적으로 볼 수 없습니다. 서로 다른 세포 유형을 순차적으로 추가할 수 있어 매우 복잡한 고처리량 호환 in vitro 모델을 생성할 수 있습니다. 이러한 모델은 보다 구체적인 골형성 혈관 틈새를 생성하고 세포 및 분자 플레이어의 기능을 조사하는 데 적용할 수 있습니다.
개요
본 연구는 3D PEG 하이드로젤을 사용하여 골수 혈관 니치(vascular niche)의 인비트로(in vitro) 모델을 구축합니다. 이 모델은 중간엽 세포와 혈관 내피 세포를 순차적으로 파종할 수 있게 하여, 니치 발달에 미치는 세포 간 상호작용 및 성장 인자의 영향을 조사할 수 있도록 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 세포생물학
- 조직공학
배경
- 전통적인 in vitro 모델은 주로 천연 유래 매트릭스를 사용하기 때문에 특정 파라미터에 대한 연구가 어렵습니다.
- 합성 하이드로젤은 세포 파종을 위한 제어된 환경을 제공합니다.
- 세포를 순차적으로 추가함으로써 복잡하고 고속 처리(high-throughput)가 가능한 모델을 제작할 수 있습니다.
- 이러한 모델은 골형성 혈관화 니치(osteogenic vascularized niches)를 연구하는 데 맞춤형으로 조정될 수 있습니다.
연구 목적
- 골수 혈관 니치(vascular niche) 연구를 위한 합성 인비트로(in vitro) 모델을 개발합니다.
- 다양한 성장 인자가 내피 세포 네트워크 형성에 미치는 영향을 평가합니다.
- 정의된 세포 간 상호작용을 통한 고처리량 실험을 가능하게 합니다.
사용된 방법
- PEG 하이드로젤 상에 hBM-MSCs 및 GFP-HUVECs 파종.
- 명시야 및 형광 현미경을 이용한 세포 배양 발달 모니터링.
- ImageJ 분석을 이용한 내피 네트워크 파라미터 정량화.
- 세포 거동 및 네트워크 형성에 미치는 성장 인자 효과 평가.
주요 결과
- BMP-2에 비해 FGF-2가 존재할 때 혈관 내피 네트워크가 더 광범위하게 형성되었습니다.
- 성장 인자가 없을 때보다 있을 때 더 높은 상호 연결성이 관찰되었습니다.
- 정량 분석 결과, 성장 인자의 존재 여부에 따라 네트워크 길이와 접합점에서 유의미한 차이가 나타났습니다.
- 본 모델은 정의된 혈관 니치(vascular niches)를 생성하는 능력을 성공적으로 입증하였습니다.
결론
- 개발된 모델은 골수 혈관 틈새(vascular niches)를 연구하는 데 유용한 도구입니다.
- 순차적인 세포 파종은 인비트로(in vitro) 연구의 복잡성을 향상시킵니다.
- 성장 인자는 내피 네트워크 발달에 상당한 영향을 미칩니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
고처리량 및 이미징 호환 포맷으로 혈관화된 골형성 골수 틈새(niche)를 구축하는 것은 전임상 신약 개발의 중대한 공백을 메우는 것입니다. 이 3D PEG 하이드로젤 플랫폼은 뼈 및 골수 생물학과 관련된 세포 및 분자 상호작용의 제어된 조사를 가능하게 하여, 초기 단계의 종양학 및 골질환 파이프라인에서 예측 신뢰도를 높여줍니다. 이 플랫폼의 재현성과 정량 가능성은 포트폴리오 진전을 위한 강력한 표적 검증 및 기전적 리스크 감소를 촉진합니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 가설 기반의 표적 검증을 위해 세포 및 기질 구성 요소의 정밀한 조작이 가능합니다.
- 혈관 니치 형성에 미치는 성장 인자와 세포 유형의 영향을 분리함으로써 기전적 리스크 감소를 지원합니다.
- 질병 관련 3D 환경에서 골 형성 및 혈관 형성 경로의 기능적 평가를 용이하게 합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 고함량 이미지 분석 및 정량화와 호환되는 표준화되고 재현 가능한 3D 공배양 시스템을 제공합니다.
- 혈관 네트워크 파라미터와 골분화 마커의 강력하고 정량적인 측정이 가능합니다.
- 화합물 스크리닝 및 표현형 분석을 위한 확장 가능하고 자동화 준비가 된 워크플로우를 지원합니다.
중개 및 전임상 연구
- 암세포 상호작용 및 전이의 중개 연구를 위해 인간 골수 미세환경을 모델링합니다.
- ALP 활성 및 혈관 네트워크 지표를 정량화하여 바이오마커 기반 접근 방식과 일치시킵니다.
- 2D in vitro 모델과 in vivo 모델을 연결함으로써 발견부터 전임상 검증까지의 연속성을 지원합니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
이 플랫폼은 단일 재사용 가능 시스템 내에서 가설 검증, 정량적 스크리닝 및 중개 모델링을 가능하게 함으로써 발견부터 전임상 단계까지의 연속 과정에 통합됩니다.
- 발견 생물학: 특정 성장 인자 또는 세포 유형의 분리 및 테스트를 가능하게 하여 경로의 역할을 명확히 합니다.
- 스크리닝: 고처리량 분석에 적합한 혈관 및 골 형성 종점에 대해 재현 가능하고 정량적인 판독 결과를 제공합니다.
- 분석: 강력한 조건 간 비교를 위해 자동화된 이미지 분석 및 정규화를 지원합니다.
- 중개 연구: 암-골수 틈새 상호작용 연구를 위한 인간 관련 모델을 제공합니다.
- 기업적 재사용: 뼈, 골수 또는 전이성 질환을 대상으로 하는 다양한 R&D 프로그램을 위한 모듈식의 적응 가능한 플랫폼을 제공합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 타겟 및 경로 검증에서의 예측 신뢰도를 높이고 생물학적 모호성을 줄입니다.
- 운영적 가치: 다기관 및 다기능 팀을 위한 표준화, 재현성 및 확장성을 향상시킵니다.
- 전략적 가치: 파이프라인 초기 단계에서 견고하고 정량화 가능한 데이터를 제공함으로써 go/no-go 결정의 품질과 자본 효율성을 개선합니다.
- 포트폴리오 영향: 검증된 메커니즘적 기반을 갖춘 후보 물질의 위험 조정 우선순위 설정 및 추진을 가능하게 합니다.
구현 시 고려 사항
- 3D 세포 배양, 이미징 및 정량적 이미지 분석에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- 형광 현미경, 플레이트 리더 및 호환 가능한 분석 소프트웨어(예: ImageJ)를 사용할 수 있어야 합니다.
- 세포 소싱, 매트릭스 준비 및 정량화 프로토콜에 대한 팀 간 표준화가 요구됩니다.
- 질환 특이적 모델링을 위해 다양한 세포 유형과 성장 인자 조건에 맞게 조정 가능합니다.
- 제한 사항으로는 실험 회차별 정량화 알고리즘의 세심한 정규화 및 검증이 필요하다는 점이 있습니다.
바이오제약 FAQ
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:04
Establishing the 3D Stromal Monoculture
2:44
Establishing the 3D Stromal‐Endothelial Cell Co‐Culture
4:25
Quantifying the Endothelial Cell Network Formation after the 3D Stromal‐Endothelial Cell Co‐Culture
6:53
Assessing the Osteogenic Differentiation of 3D Stromal‐Endothelial Cells by Monitoring the Alkaline Phosphatase Activity
