Иммунокомпетентная модель кишечника на чипе для анализа иммунных реакций слизистой оболочки кишечника
24 мая 2024 г.
В нашем подробном протоколе описывается создание и использование усовершенствованной модели кишечника на чипе, которая имитирует слизистую оболочку кишечника человека с помощью 3D-структур и различных типов клеток, что позволяет проводить глубокий анализ иммунных реакций и клеточных функций в ответ на микробную колонизацию.
Наши исследования сосредоточены на разработке и использовании иммунокомпетентных платформ «орган-на-чипе». Создавая эти физиологически релевантные, гуманизированные модели in vitro, мы можем изучать сложное взаимодействие хозяина и патогена. Знания, которые мы создаем, могут быть использованы для манипулирования и идентификации молекулярных мишеней для терапии инфекционных заболеваний.
Одной из ключевых проблем является поддержание живой микробиоты в гомеостатических условиях наряду с тканями хозяина in vitro. Это включает в себя воспроизведение органотипической 3D-топографии структур крипт и ворсинок и их микробной колонизации. Платформы «кишечник-на-чипе» решают эту проблему, используя поток для формирования органотипических структур и предотвращения избыточного бактериального роста.
Это обеспечивает стабильные условия культивирования. По сравнению с другими доступными платформами «кишечник на чипе», наша модель позволяет детально изучить иммунный ответ человека на патогены за счет включения первичных резидентных в ткани иммунных клеток. Кроме того, размер модели позволяет выполнять несколько считываний в одном эксперименте, что снижает общую стоимость и количество экспериментов.
Наша лаборатория специализируется на использовании индуцированных плюрипотентных стволовых клеток для разработки аутологичных систем, которые обеспечивают персонализированную медицину.
Обзор
В данной статье представлен подробный протокол разработки усовершенствованной модели «кишечник на чипе», имитирующей слизистую оболочку кишечника человека. Модель включает 3D-структуры и различные типы клеток, что облегчает анализ иммунных ответов и клеточных функций в связи с микробной колонизацией.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Биология
- Микробиология
Теоретические основы
- Разработка иммунокомпетентных платформ «орган-на-чипе».
- Важность изучения взаимодействий между хозяином и патогеном.
- Трудности поддержания жизнеспособности микробиоты in vitro.
- Необходимость воспроизведения органотипических 3D-структур.
Цель исследования
- Создание физиологически релевантных гуманизированных моделей in vitro.
- Анализ иммунных ответов на микробную колонизацию.
- Идентификация молекулярных мишеней для терапии инфекционных заболеваний.
Используемые методы
- Создание платформ «кишечник-на-чипе».
- Использование потока для формирования органотипических структур.
- Поддержание гомеостатических условий для микробиоты.
- Углубленный анализ клеточных функций.
Основные результаты
- Успешное моделирование слизистой оболочки кишечника человека.
- Углубленное понимание иммунных ответов.
- Данные о влиянии микробной колонизации.
- Потенциальные возможности применения для идентификации терапевтических мишеней.
Выводы
- Модель «кишечник на чипе» является ценным инструментом для исследований.
- Она позволяет изучать сложные взаимодействия в контролируемой среде.
- В будущих работах данная модель может быть использована для исследования инфекционных заболеваний.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Иммунокомпетентная модель «кишечник на чипе» позволяет проводить высокоточное исследование иммунного ответа слизистой оболочки кишечника в физиологически релевантных условиях, восполняя критический пробел в доклинических исследованиях. Благодаря интеграции первичных иммунных клеток человека и поддержке сложных взаимодействий между хозяином и микробиотой, данная платформа повышает прогностическую достоверность при валидации мишеней и снижении рисков при изучении механизмов в рамках разработки препаратов для лечения инфекционных и воспалительных заболеваний. Мультиплексные функциональные показатели и совместимость с передовыми методами визуализации делают эту модель ценным многократно используемым инструментом для трансляционных исследований и отбора перспективных проектов портфеля.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет проверять терапевтические гипотезы, касающиеся иммунитета слизистой оболочки кишечника и взаимодействий между хозяином и патогеном.
- Способствует биологическому снижению рисков путем моделирования ответов резидентных иммунных клеток тканей на микробную колонизацию.
- Облегчает функциональную валидацию мишеней с помощью количественных показателей, таких как высвобождение цитокинов и инфильтрация иммунных клеток.
- Повышает прогностическую достоверность при продвижении мишеней, участвующих в функционировании кишечного барьера и иммунной модуляции.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированную органотипическую систему для стандартизированной оценки влияния соединений на целостность эпителия и иммунную активацию.
- Позволяет получать воспроизводимые мультиплексные данные, включая анализы проницаемости и показатели дифференцировки клеток на основе иммунофлуоресценции.
- Обеспечивает возможность масштабируемого скрининга молекул-кандидатов или биопрепаратов в физиологически релевантной микросреде.
- Поддерживает надежную оценку вмешательств, направленных на пути взаимодействия хозяина с микробиотой или иммунные пути.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует механизмам развития заболеваний за счет моделирования иммунных ответов слизистых оболочек человека на воздействие бактерий и грибков.
- Связывает этап поиска с доклинической валидацией благодаря непрерывности функциональных и структурных показателей.
- Облегчает принятие решений о продвижении активов с учетом рисков при воздействии на иммунный гомеостаз кишечника или инфекции.
- Предоставляет данные о механизмах, способствующие разработке трансляционных биомаркеров.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данная модель «кишечник на чипе» применима на всех этапах: от первичного поиска до идентификации ведущих соединений и доклинических исследований механизмов действия, что позволяет проводить итерационную проверку гипотез и приоритизацию мишеней.
- Фундаментальная биология: обеспечивает надежную проверку нулевых гипотез для путей иммунного ответа и барьерной функции в условиях контролируемого микробного воздействия.
- Скрининг: обеспечивает количественные, воспроизводимые результаты для отбора соединений и стандартизации анализа.
- Аналитика: поддерживает мультиплексные измерения, включая профилирование цитокинов, инфильтрацию иммунных клеток и целостность эпителия.
- Трансляционные исследования: предоставляет платформу для сопоставления данных, полученных in vitro, с биомаркерами заболеваний и доклиническими конечными точками.
- Корпоративное использование: функционирует как модульная масштабируемая система, адаптируемая к различным программам НИОКР, связанным с кишечником.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при валидации мишеней иммунитета кишечника.
- Операционная ценность: Стандартизирует сложные рабочие процессы совместного культивирования и обеспечивает воспроизводимую генерацию мультиплексных данных.
- Стратегическая ценность: Повышает качество принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет снижения биологических рисков на поздних стадиях.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию с учетом рисков и продвижение активов, направленных на воздействие на иммунитет кишечника или борьбу с инфекциями.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы с микрофлюидными биочипами и продвинутыми методами культивирования клеток.
- Необходим доступ к оборудованию для иммунофлуоресцентной визуализации и инфраструктуре для мультиплексного анализа.
- Требуется стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости и сопоставимости данных.
- Адаптация метода для различных источников иммунных клеток или видов микроорганизмов может потребовать оптимизации протокола.
- Сложность модели и необходимость поддержания гомеостаза микробиоты создают практические ограничения для высокопроизводительного использования.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:36
Harvesting and Seeding of Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) for Human Intestine‐on‐Chip Model
4:03
Microfluidic Perfusion of HUVEC and C2BBe1 Cultured Biochips for Analyzing Immune Responses to Microbial Colonization
