Vergelijkende studie van basaalmembraanmatrices voor het onderhoud van menselijke stamcellen en het genereren van darmorganoïden
15 maart 2024
Organoïden zijn waardevolle hulpmiddelen geworden voor het modelleren van ziekten. De extracellulaire matrix (ECM) stuurt het lot van cellen tijdens het genereren van organoïden, en het gebruik van een systeem dat lijkt op het natuurlijke weefsel kan de nauwkeurigheid van het model verbeteren. Deze studie vergelijkt de generatie van geïnduceerde pluripotente stamcellen-afgeleide menselijke darmorganoïden in dierlijk ECM en xeno-vrije hydrogels.
Ons onderzoek is gericht op het integreren van vitro- en in silico-modellen om de ontdekking en ontwikkeling van geneesmiddelen in een vroeg stadium van ontwikkeling te informeren. In een notendop combineren we stamceltechnologie, organoïden en microfluïdica om interacties tussen geneesmiddelen en membraanintegriteit te onderzoeken en de absorptie en het metabolisme van geneesmiddelen te voorspellen. In ons vakgebied omvatten geavanceerde technologieën fysiologische modellen in combinatie met geavanceerde in vitro systemen zoals microfysiologische systemen, zoals organen op een chip en organoïden.
Daarnaast wordt momenteel 3D-bioprinten onderzocht om de schaalbaarheid van deze complexere in-vitromodellen te maximaliseren. De huidige experimentele uitdagingen omvatten het verbeteren van weefselmicro-omgevingen en fysiologische getrouwheid van deze in vitro modellen, het minimaliseren van de experimentele variabiliteit en het optimaliseren van hoge doorvoercapaciteiten. Ook het opstellen van gestandaardiseerde protocollen die voldoen aan de regelgevende normen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.
Met als doel de experimentele variabiliteit te verminderen, de micro-omgeving van het weefsel beter na te bootsen en te voldoen aan de regelgevende richtlijnen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen bij mensen, beschrijft dit protocol de optimalisatie van een organoïdegeneratie en het onderhoud van dit organoïdesysteem met behulp van een celvrij hydrogelsysteem met een controlesamenstelling en mechanische controle-eigenschappen. We zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van microfysiologische systemen om te modelleren in speciale populaties die niet goed vertegenwoordigd zijn in klinische onderzoeken, zoals bijvoorbeeld mensen met het syndroom van Down. Ons laboratorium werkt ook aan het introduceren van nieuwe, op immuno-oncologie gebaseerde behandelingsbenaderingen in nieuwe omgevingen voor gastro-intestinale en longkanker.
Overzicht
Deze studie onderzoekt de integratie van in vitro- en in silico-modellen om de ontdekking en ontwikkeling van geneesmiddelen te verbeteren. De focus ligt op het gebruik van organoïden afgeleid van geïnduceerde pluripotente stamcellen en de invloed van de extracellulaire matrix op de generatie hiervan.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Stamceltechnologie
- Medicijnontwikkeling
Achtergrond
- Organoïden zijn waardevolle instrumenten voor het modelleren van ziekten.
- De extracellulaire matrix (ECM) beïnvloedt het cellot tijdens de generatie van organoïden.
- Het gebruik van systemen die lijken op natuurlijk weefsel kan de nauwkeurigheid van het model verbeteren.
- Huidige uitdagingen omvatten het verbeteren van weefselmicro-omgevingen en het standaardiseren van protocollen.
Doel van de studie
- Om de generatie van organoïden in dierlijke ECM te vergelijken met xeno-vrije hydrogels.
- Om interacties tussen geneesmiddelen en ziekten te onderzoeken met behulp van geavanceerde in vitro-systemen.
- Om de fysiologische getrouwheid van in vitro-modellen te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Integratie van stamceltechnologie en organoïden.
- Gebruik van microfluidica voor studies naar geneesmiddelabsorptie en -metabolisme.
- Toepassing van geavanceerde in vitro systemen zoals organs-on-a-chip.
- Verkenning van 3D-bioprinten voor de schaalbaarheid van modellen.
Belangrijkste resultaten
- Een vergelijking van methoden voor het genereren van organoïden onthulde verschillen in de resultaten.
- Verbeterde weefselmicro-omgevingen vergrootten de nauwkeurigheid van het model.
- Gestandaardiseerde protocollen zijn noodzakelijk voor naleving van de regelgeving.
- De integratie van in vitro- en in silico-modellen bleek veelbelovend voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.
Conclusies
- Organoïden zijn effectief voor ziekte-modellering en het testen van geneesmiddelen.
- Het type ECM heeft een significante invloed op de ontwikkeling van organoïden.
- Toekomstig onderzoek moet zich richten op het optimaliseren van in vitro modellen voor betere voorspellende mogelijkheden.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Een vergelijkende evaluatie van basementmembraanmatrices voor het behoud van menselijke stamcellen en de generatie van intestinale organoïden heeft een directe impact op de voorspellende betrouwbaarheid van preklinische ziektestellen. De selectie van de matrix beïnvloedt de fysiologische getrouwheid, reproduceerbaarheid en het translationele potentieel van organoïde-gebaseerde systemen die worden gebruikt bij vroege geneesmiddelenontwikkeling. Het optimaliseren van xeno-vrije en dierlijke matrices ondersteunt risico-gecorrigeerde vooruitgang en portfolioprioritering in biofarmaceutische R&D.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- De samenstelling van de matrix moduleert het behoud en de differentiatie van stamcellen, wat essentieel is voor strategieën voor targetvalidatie.
- Vergelijkende matrixstudies verduidelijken de biologische risicoreductie door variabiliteit in organoïderenijping en markerexpressie te onthullen.
- Matrixoptimalisatie ondersteunt het voorspellend vertrouwen in ziekte-relevante in vitro modellen voor vroege triage.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Gevalideerde matrices maken een gestandaardiseerde preparatie van organoïdesystemen mogelijk voor downstream compound screening.
- Kwantitatieve beoordeling van stamcelmarkers en organoïdemorfologie ondersteunt de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van de assay.
- Xeno-vrije matrices vergemakkelijken het hergebruik van het platform en de regelgevende afstemming voor screeningworkflows.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Xeno-vrije hydrogels verbeteren de translationele continuïteit door grotere, rijpere organoïden te ondersteunen die relevant zijn voor de menselijke biologie.
- Matrix-gestuurde optimalisatie stemt in vitro-modellen af op de vereisten voor preklinische biomarkers.
- Vergelijkende matrixgegevens informeren risicogebaseerde beslissingen voor het verder ontwikkelen van organoïde-gebaseerde ziektemodellen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze vergelijkende matrixevaluatie informeert het continuüm van vroege ontdekking tot preklinische modelontwikkeling, ter ondersteuning van zowel targetvalidatie als leadidentificatie.
- Discovery Biology: Matrixselectie maakt hypothesetesten mogelijk met betrekking tot het lot van stamcellen en organoïdedifferentiatie.
- Screening: Gestandaardiseerde matrices leveren reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor de evaluatie van verbindingen.
- Analytics: Kwantitatieve markerexpressie en metingen van de organoïdegrootte vergemakkelijken vergelijkingen tussen verschillende condities.
- Translational Research: Xeno-vrije matrices ondersteunen de afstemming van preklinische modellen en de continuïteit van biomarkers.
- Enterprise Reuse: Vergelijkende gegevens sturen de matrixselectie voor diverse organoïde- en stamcelapplicaties binnen verschillende programma's.
Operationele en organisatorische impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogde voorspellende betrouwbaarheid en doelvalidatie via fysiologisch relevante organoïdensystemen.
- Operationele waarde: Verbeterde standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van organoïdenworkflows.
- Strategische waarde: Onderbouwde go/no-go-beslissingen en vermindering van biologische risico's in een laat stadium via matrixoptimalisatie.
- Impact op portfolio: Datagedreven prioritering van organoïdenmodellen voor risico-gecorrigeerde voortgang.
Overwegingen voor implementatie
- Expertise in stamcel- en organoïdcultuur is vereist voor de vergelijking en optimalisatie van de matrix.
- Toegang tot infrastructuur voor kwantitatieve beeldvorming en markeranalyse is noodzakelijk voor een reproduceerbare beoordeling.
- Standaardisatie van matrixprotocollen tussen teams ondersteunt de reproduceerbaarheid binnen de gehele organisatie.
- Aanpassing van de matrixselectie kan nodig zijn voor verschillende organoïdtypen of ziektemodellen.
- Matrixspecifieke beperkingen, zoals spontane differentiatie of het loslaten van sferoïden, moeten empirisch worden geëvalueerd.
