Инженерные ассамблоиды сухожилий для исследования перекрестных клеточных помех при заболевании и восстановлении
22 марта 2024 г.
В данной работе мы представляем ассамблоидную модельную систему, имитирующую перекрестные помехи между несущей тканью сухожильного ядра и внешним компартментом, содержащим клеточные популяции, активированные болезнью и травмой. В качестве важного примера использования мы демонстрируем, как система может быть развернута для исследования активации внешних эндотелиальных клеток, связанных с заболеванием.
Сухожилия облегчают движение, передавая силы от мышц к костям. Несмотря на то, что травмы сухожилий являются распространенным явлением, они довольно трудно поддаются лечению, и исход для пациентов часто бывает неблагоприятным. В настоящее время все методы лечения травм сухожилий включают в себя тот или иной вид физиотерапии, и это отражает тот факт, что механические силы играют центральную роль в биологии сухожилий.
Хороших экспериментальных моделей для изучения повреждений и восстановления сухожилий на самом деле не существует, поэтому моя лаборатория активно разрабатывает новые модели, которые могут лучше отразить важные особенности физиологии и патофизиологии сухожилий. В предыдущих исследованиях мы могли показать, что сухожильный сердечник, который представляет собой несущую часть сухожилия, сам по себе имеет очень ограниченную способность к восстановлению. В сочетании с другими исследованиями в этой области, мы предположили, что поврежденное ядро будет рекрутировать клетки из внешнего сухожилийного компартмента, чтобы помочь ему зажить.
Тканеинженерная система модели сухожилия может обеспечить нагружаемую 3D-среду, но не соответствует сложностям экзоцеллюлярного матрикса in vivo. Модельные системы эксплантации работают, но их часто трудно поддерживать в рабочем состоянии и они механически нагружаются в течение более длительных периодов времени или им не хватает внешнего отсека, который является центральным для процессов ремонта. Наша уникальная модельная система сочетает в себе преимущества эксплантатов сердцевины морского хвоста с преимуществами 3D-гидрогелевых базовых систем.
Он обеспечивает загружаемую матрицу ядра, подобную in vivo, наряду с искусственным внешним отсеком. Его состав может быть настроен в соответствии с гипотезой исследования и биомиметическим кросс-компартментным барьером между ними. Наши гибридные ассамблоиды гидрогелевых эксплантов находятся в отличном положении для изучения биологии стержня сухожилия, взаимодействия функций матричной структуры и кросс-компартментных взаимодействий между конкретными клеточными популяциями в тонко настраиваемой микросреде.
Открытия, сделанные в ходе исследований, проведенных с помощью этой системы, будут направлять исследования и разработку методов лечения in vivo.
Обзор
Это исследование представляет инновационную модельную систему ассемблоида, разработанную для репликации клеточных взаимодействий внутри сухожилий, особенно сосредоточиваясь на нагрузочной сердцевине ткани и внешнем отделении, подверженном влиянию травм. Модель позволяет исследовать активизацию эндотелиальных клеток, связанную с заболеваниями, предоставляя представление о механизмах восстановления сухожилий.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Невронаука
- Биология
- Тканевая инженерия
Бэкграунд
- Сухожилия имеют решающее значение для передачи силы от мышц к костям.
- Травмы сухожилий распространены и трудны для лечения, часто приводя к плохим результатам для пациентов.
- Существующие модели для исследования сухожилий ограничены в своей способности имитировать условия in vivo.
- Целью исследования является разработка модели, которая захватывает сложности биологии и восстановления сухожилий.
Цель исследования
- Создать гибридную модель, которая сочетает преимущества эксплантатов сухожилий и 3D гидрогелевых систем.
- Исследовать взаимодействия между клетками сердцевины сухожилия и внешними клеточными популяциями во время восстановления.
- Улучшить понимание физиологии и патофизиологии сухожилий.
Используемые методы
- Изоляция эксплантатов сердцевины сухожилий из хвостов мышей.
- Разработка коллагенового гидрогелевого матрикса для поддержки культуры клеток.
- Механическая нагрузка ассемблоида для имитации условий in vivo.
- Совместная культура клеток сухожилий с внешними клеточными популяциями.
Основные результаты
- Модель ассемблоида успешно имитирует среду сухожилий.
- Она позволяет исследовать клеточные взаимодействия, имеющие отношение к восстановлению сухожилий.
- Результаты помогут в будущих исследованиях in vivo и стратегиях лечения.
- Модель демонстрирует потенциал для тонкой настройки экспериментальных условий.
Выводы
- Гибридный ассемблоид эксплантата гидрогелевого типа является многообещающим инструментом для исследования сухожилий.
- Он соединяет традиционные модели с системами in vivo.
- Будущие исследования с использованием этой модели могут привести к улучшению методов лечения травм сухожилий.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Engineering tendon assembloids enables systematic investigation of multicellular crosstalk and matrix interactions critical for tendon disease modeling and repair pathway discovery. This 3D explant-hydrogel system addresses the translational gap between simplistic in vitro assays and complex in vivo models, supporting predictive confidence in early-stage target validation and mechanistic de-risking. The platform's tunability and reproducibility position it as a reusable asset for portfolio-wide interrogation of tendon biology and therapeutic hypothesis testing.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of cellular crosstalk and matrix remodeling relevant to tendon pathology.
- Supports mechanistic de-risking by modeling disease-activated cell populations in a controlled 3D context.
- Facilitates functional target validation through manipulation of defined microenvironmental stimuli.
- Provides a platform for hypothesis-driven exploration of repair mechanisms and pathway dependencies.
Screening & Assay Development
- Delivers a physiologically relevant, loadable 3D system for quantitative assessment of cell behavior and matrix responses.
- Enables standardization and reproducibility in multicellular assay development for tendon research.
- Supports screening of compounds or biologics targeting specific cell populations or signaling axes.
- Allows for scalable preparation of explants and hydrogels, facilitating downstream assay integration.
Translational & Preclinical Research
- Models disease-relevant multicellular interactions and extracellular matrix dynamics for translational continuity.
- Aligns with biomarker discovery efforts by enabling transcriptomic and secretomic profiling under defined conditions.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by providing predictive data on repair and degeneration pathways.
- Bridges the gap between in vitro mechanistic studies and in vivo validation in tendon biology.
Pipeline & Workflow Integration
This assembloid system integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling early mechanistic studies, assay development, and translational modeling of tendon disease and repair.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on cellular recruitment, crosstalk, and matrix remodeling in tendon injury models.
- Screening: Provides a reproducible, quantitative platform for evaluating cellular and matrix responses to candidate interventions.
- Analytics: Supports transcriptomic, secretomic, and imaging-based readouts for comparative analysis of experimental conditions.
- Translational Research: Enables alignment of in vitro findings with in vivo repair mechanisms and biomarker profiles.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, scalable system adaptable to diverse tendon research and therapeutic discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in tendon target validation.
- Operational Value: Standardizes multicellular 3D assays with scalable explant and hydrogel preparation.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling robust early-stage de-risking.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of tendon-focused therapeutic programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in tissue engineering, primary cell isolation, and 3D culture systems.
- Demands access to confocal microscopy, transcriptomic, and secretomic analytical infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of explant preparation and hydrogel formulation protocols.
- Adaptable to various cell populations and microenvironmental stimuli for model customization.
- Limited by the need for murine tissue sources and specialized handling for long-term culture viability.
