Профилирование рН люминала в трехмерных органоидах желудочно-кишечного тракта с помощью микроэлектродов
July 5th, 2024
В настоящем протоколе описаны измерения рН в органоидах желудка человека, полученных из тканей человека, с использованием микроэлектродов для пространственно-временной характеристики внутрипросветной физиологии.
Общая цель нашего исследования состоит в том, чтобы понять, как эпителиальные клетки желудка, иммунные клетки, стромальные клетки и их продукты, такие как цитокины и слизь, работают вместе, чтобы ответить на инфекцию желудочного патогена Helicobacter pylori. Для этого мы пытаемся построить сложные физиологически значимые модели слизистой оболочки желудка человека. Предыдущие исследования желудочных органоидов показали противоречивые результаты относительно способности этих моделей поддерживать секрецию кислот в париетальных клетках.
Используя рН-микроэлектроды, мы продемонстрировали, что при отсутствии специфических протоколов дифференцировки или стимуляции органоиды желудка человека поддерживают почти нейтральный рН в просвете. Относительный по доступности, органоидный просвет долгое время ограничивал наше понимание микроокружения внутри. Мы демонстрируем первые успешные измерения pH микроэлектродов для функциональной характеристики органоидов.
Наш метод на основе микроэлектродов может предоставить исследователям надежный инструмент, который можно адаптировать к их конкретным потребностям. До сих пор измерение pH в органоидах желудочно-кишечного тракта включало использование pH-чувствительных красителей, которые полагаются на микроскопическую визуализацию для количественной оценки. Основное преимущество использования микроэлектродов заключается в том, что они обеспечивают точные числовые показания pH.
Кроме того, внутрипросветный pH может регистрироваться в режиме реального времени и с превосходным пространственным разрешением. Мы работаем над созданием полностью функциональной модели слоя желудочной слизи человека с физиологическим градиентом pH, чтобы мы могли изучить роль этого барьера в инфекции Helicobacter pylori. Конечная цель состоит в том, чтобы разработать новые цитопротекторные препараты, которые укрепляют слой слизи и предотвращают бактериальную инвазию.
Обзор
Этот протокол описывает использование микроэлектродов для измерения pH в желудочных органоидах, полученных из человеческих тканей, что позволяет осуществлять пространственно-временную характеристику внутриполостной физиологии. Целью исследования является улучшение понимания реакций желудочного эпителия на инфекцию Helicobacter pylori.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Невронаука
- Гастроэнтерология
- Клеточная биология
Предыстория
- Желудочные органоиды используются для моделирования человеческой желудочной слизистой.
- Предыдущие исследования показали противоречивые результаты касательно кислотосекретирующих париетальных клеток.
- Понимание микросреды внутри органоидов имеет решающее значение для изучения желудочной физиологии.
- Микроэлектроды предоставляют новый метод для точного измерения pH.
Цель исследования
- Разработать надежный метод измерения внутриполостного pH в желудочных органоидах.
- Изучить роль слоя желудочного слизи в инфекции Helicobacter pylori.
- Создать модель, которая может привести к новым цитопротекторным методам лечения.
Используемые методы
- Подготовка человеческих желудочных органоидов.
- Использование микроэлектродов для измерения pH в реальном времени.
- Калибровка микроэлектродов для точных показаний.
- Запись pH в различных областях органоидов.
Основные результаты
- Человеческие желудочные органоиды поддерживают близко-нейтральный pH при отсутствии специфических протоколов.
- Микроэлектроды позволяют получать точные показания pH и пространственное разрешение.
- Наблюдалось изменение луминального pH в различных органоидах.
- Метод может быть адаптирован для различных исследовательских нужд.
Выводы
- Метод на основе микроэлектродов эффективен для изучения физиологии желудочных органоидов.
- Понимание динамики pH может помочь в разработке стратегий лечения желудочных инфекций.
- Данный подход увеличивает потенциал для разработки новых терапевтических вмешательств.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Quantitative profiling of luminal pH in 3D gastrointestinal organoids using microelectrodes enables precise functional characterization of disease-relevant tissue models. This capability supports predictive confidence in early discovery and target validation for gastric mucosal biology, particularly in infection and barrier function studies. Reliable intraluminal measurements facilitate translational continuity from discovery through preclinical model development in biopharma R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of epithelial and barrier function hypotheses in physiologically relevant organoid systems.
- Supports biological de-risking by providing direct, quantitative readouts of luminal microenvironment changes.
- Facilitates functional target validation for pathways involved in gastric infection and mucosal defense.
Screening & Assay Development
- Prepares validated organoid models for downstream compound screening and mechanistic studies.
- Delivers standardized, reproducible, and quantitative pH outputs for assay development.
- Enables high-resolution, real-time monitoring of luminal conditions to support reliable compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns organoid model outputs with disease-relevant physiological parameters for translational biomarker development.
- Provides continuity from in vitro discovery to preclinical validation of gastric barrier function and infection models.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by clarifying mechanistic underpinnings of candidate interventions.
Pipeline & Workflow Integration
This microelectrode-based pH profiling method integrates into the discovery-to-preclinical continuum, bridging early hypothesis testing with translational model validation.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing and pathway clarification in complex organoid systems.
- Screening: Provides reproducible, quantitative pH measurements for assay readiness and standardization.
- Analytics: Delivers high-resolution, real-time readouts to compare experimental conditions and model outputs.
- Translational Research: Connects in vitro findings to preclinical models by aligning with physiological pH gradients and barrier function.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for functional characterization across diverse organoid-based studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in gastric mucosal research.
- Operational Value: Standardizes luminal pH measurement with scalable, reproducible instrumentation.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by clarifying functional model outputs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of discovery and preclinical programs targeting gastric barrier and infection pathways.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organoid culture and micromanipulator-controlled microelectrode operation.
- Needs access to calibrated microelectrodes, reference electrodes, and compatible analytical software.
- Demands cross-team standardization of measurement protocols for reproducibility.
- Adaptation may be necessary for different organoid types or luminal environments.
- Spatial resolution and measurement duration are limited by organoid size and electrode stability.
