Сравнительное исследование матриц базальной мембраны для поддержания стволовых клеток человека и генерации кишечных органоидов
15 марта 2024 г.
Органоиды стали ценными инструментами для моделирования заболеваний. Внеклеточный матрикс (ВКМ) управляет судьбой клетки во время генерации органоидов, и использование системы, напоминающей нативную ткань, может повысить точность модели. В этом исследовании сравнивается генерация индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, полученных из кишечных органоидов человека, в ВКМ животного происхождения и гидрогелях, не содержащих ксено.
Наши исследования направлены на интеграцию моделей in vitro и in silico для информирования о поиске и разработке лекарств на ранних стадиях разработки. В двух словах, мы сочетаем технологию стволовых клеток, органоидов и микрофлюидики для исследования взаимодействия лекарственных препаратов, целостности мембран, а также для прогнозирования абсорбции лекарств и метаболизма лекарств. В нашей области передовые технологии включают физиологические модели на основе кремния в сочетании с передовыми системами in vitro, такими как микрофизиологические системы, такие как органы на чипе и органоиды.
В дополнение к этому, в настоящее время изучается 3D-биопечать для максимизации масштабируемости этих более сложных моделей in vitro. Текущие экспериментальные задачи включают в себя улучшение микроокружения тканей и физиологической точности этих моделей in vitro, минимизацию экспериментальной вариабельности и оптимизацию высокой пропускной способности. Кроме того, необходимо разработать стандартизированные протоколы, соответствующие нормативным стандартам для разработки лекарственных препаратов.
С целью снижения экспериментальной изменчивости, лучшей имитации микроокружения тканей и соблюдения нормативных рекомендаций по разработке лекарственных препаратов для человека, в данном протоколе описывается оптимизация генерации органоида и поддержание этой органоидной системы с использованием бесклеточной гидрогелевой системы с контрольным составом и контролирующими механическими свойствами. Мы заинтересованы в разработке микрофизиологических систем для моделирования в особых популяциях, недостаточно представленных в клинических испытаниях, таких как, например, люди, живущие с синдромом Дауна. Наша лаборатория также работает над внедрением новых подходов к лечению рака желудочно-кишечного тракта и легких, основанных на иммуноонкологии, в новых условиях.
Обзор
В данном исследовании рассматривается интеграция моделей in vitro и in silico для совершенствования процессов поиска и разработки лекарственных препаратов. Основное внимание уделяется использованию органоидов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, и влиянию внеклеточного матрикса на их формирование.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Технологии стволовых клеток
- Разработка лекарственных препаратов
Теоретические основы
- Органоиды являются ценными инструментами для моделирования заболеваний.
- Внеклеточный матрикс (ВКМ) влияет на судьбу клеток в процессе создания органоидов.
- Использование систем, подобных нативной ткани, может повысить точность моделей.
- Текущие проблемы включают совершенствование микроокружения тканей и стандартизацию протоколов.
Цель исследования
- Для сравнения генерации органоидов в составе внеклеточного матрикса (ECM) животного происхождения и в бессвободных от ксеногенных компонентов гидрогелях.
- Для исследования взаимодействия лекарственных средств и заболеваний с использованием передовых систем in vitro.
- Для повышения физиологической достоверности моделей in vitro.
Используемые методы
- Интеграция технологий стволовых клеток и органоидов.
- Использование микрофлюидики для изучения абсорбции и метаболизма лекарственных средств.
- Применение передовых систем in vitro, таких как «орган на чипе».
- Изучение 3D-биопечати для обеспечения масштабируемости моделей.
Основные результаты
- Сравнение методов получения органоидов выявило различия в результатах.
- Улучшение микроокружения тканей повысило точность моделей.
- Стандартизированные протоколы необходимы для соблюдения нормативных требований.
- Интеграция моделей in vitro и in silico оказалась перспективной для разработки лекарственных препаратов.
Заключение
- Органоиды эффективны для моделирования заболеваний и тестирования лекарственных препаратов.
- Тип внеклеточного матрикса (ВКМ) существенно влияет на развитие органоидов.
- Дальнейшая работа должна быть сосредоточена на оптимизации моделей in vitro для повышения их прогностических возможностей.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Сравнительная оценка матриксов базальной мембраны для поддержания стволовых клеток человека и генерации кишечных органоидов напрямую влияет на прогностическую достоверность доклинических моделей заболеваний. Выбор матрикса определяет физиологическую точность, воспроизводимость и трансляционный потенциал систем на основе органоидов, используемых на ранних этапах поиска лекарственных средств. Оптимизация безксеногенных матриксов и матриксов животного происхождения способствует снижению рисков при разработке и приоритизации портфеля в сфере биофармацевтических исследований и разработок.
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Состав матрикса модулирует поддержание и дифференцировку стволовых клеток, что определяет стратегии валидации мишеней.
- Сравнительные исследования матриксов позволяют снизить биологические риски, выявляя вариабельность созревания органоидов и экспрессии маркеров.
- Оптимизация матрикса повышает прогностическую достоверность релевантных заболеванию моделей in vitro для раннего отбора кандидатов.
Скрининг и разработка анализа
- Валидированные матрицы позволяют стандартизировать подготовку органоидных систем для последующего скрининга соединений.
- Количественная оценка маркеров стволовых клеток и морфологии органоидов обеспечивает воспроизводимость и масштабируемость анализа.
- Безксеногенные матрицы облегчают повторное использование платформы и приведение рабочих процессов скрининга в соответствие с нормативными требованиями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Гидрогели, не содержащие компонентов животного происхождения (xeno-free), улучшают трансляционную преемственность, поддерживая рост более крупных и зрелых органоидов, соответствующих биологии человека.
- Оптимизация с использованием матрицы приводит модели in vitro в соответствие с требованиями к доклиническим биомаркерам.
- Сравнительные данные о матриксах позволяют принимать обоснованные решения с учетом рисков при разработке моделей заболеваний на основе органоидов.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Эта сравнительная оценка матрицы позволяет проследить весь процесс от раннего этапа поиска до разработки доклинических моделей, поддерживая как валидацию мишени, так и идентификацию ведущих соединений.
- Открывающая биология: Выбор матрикса позволяет проверять гипотезы о судьбе стволовых клеток и дифференцировке органоидов.
- Скрининг: Стандартизированные матриксы обеспечивают воспроизводимые количественные результаты для оценки соединений.
- Аналитика: Количественное определение экспрессии маркеров и измерение размеров органоидов облегчают сравнение различных условий.
- Трансляционные исследования: Безксеногенные матриксы поддерживают согласованность доклинических моделей и непрерывность биомаркеров.
- Корпоративное повторное использование: Сравнительные данные помогают выбрать матрикс для различных применений стволовых клеток и органоидов в рамках различных программ.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение прогностической достоверности и валидация мишеней с помощью физиологически релевантных органоидных систем.
- Операционная ценность: Улучшение стандартизации, воспроизводимости и масштабируемости рабочих процессов по созданию органоидов.
- Стратегическая ценность: Обоснованное принятие решений о продолжении или прекращении разработки («go/no-go») и снижение биологических рисков на поздних этапах за счет оптимизации матрикса.
- Влияние на портфель: Приоритизация моделей органоидов на основе данных для продвижения проектов с учетом скорректированных рисков.
Особенности реализации
- Для сравнения и оптимизации матриксов требуется опыт работы с культурами стволовых клеток и органоидов.
- Для обеспечения воспроизводимости оценки необходим доступ к инфраструктуре количественного имиджинга и анализа маркеров.
- Межкомандная стандартизация протоколов использования матриксов способствует воспроизводимости результатов в масштабах всего предприятия.
- Может потребоваться адаптация выбора матрикса для различных типов органоидов или моделей заболеваний.
- Ограничения, специфичные для конкретного матрикса, такие как спонтанная дифференцировка или высвобождение сфероидов, должны быть оценены эмпирически.
