工程师们种植胰腺“类器官”来模仿真正的胰腺

【字体: 时间:2021年09月15日 来源:Nature Materials

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  麻省理工学院的工程师们发明了一种方法,利用健康或癌变的胰腺细胞来培育微小的胰腺复制品。他们的模型可以帮助研究人员开发和测试潜在的胰腺癌药物。

  
   

Pancreatic Organoids    

麻省理工学院和英国曼彻斯特研究所的研究人员已经开发出一种合成凝胶,可以用来从人类胰腺细胞中生长微小的胰腺器官,如图所示。

资料来源:麻省理工学院/英国癌症研究所曼彻斯特研究所

麻省理工学院(MIT)的工程师们与英国曼彻斯特癌症研究所(Cancer Research UK Manchester Institute)的科学家合作,开发出一种新的方法,利用健康或癌变的胰腺细胞,培育出微小的胰腺复制品。他们的新模型可以帮助研究人员开发和测试潜在的治疗胰腺癌的药物,目前胰腺癌是最难治疗的癌症之一。

使用一种模拟胰腺周围细胞外环境的特殊凝胶,研究人员能够培育胰腺“类器官”,使他们能够研究胰腺肿瘤与其环境之间的重要相互作用。与现在用来培养组织的一些凝胶不同,麻省理工学院的新型凝胶是完全合成的,易于组装,每次生产时成分都一致。

“可重复性是一个主要问题,”教学创新工程学院教授、生物工程和机械工程教授琳达·格里菲斯(Linda Griffith)说。“研究界一直在寻找方法,对这些类有机物进行更有系统的培养,特别是控制微环境。”

研究人员还表明,他们的新凝胶可以用于培养其他类型的组织,包括肠道和子宫内膜组织。

模仿的微环境

传统上,实验室使用商业上可用的组织衍生凝胶在实验室培养皿中培养有机类物质。然而,格里菲斯说,由于最广泛使用的商业凝胶是蛋白质、蛋白多糖和生长因子的复杂混合物,这些生长因子来自小鼠体内生长的肿瘤,因此,它的种类各不相同,而且存在不良成分。它也不总是允许多种类型的细胞生长。大约10年前,格里菲斯的实验室开始设计一种合成凝胶,可以用来生长上皮细胞,这种细胞形成了排列在大多数器官和其他支持细胞上的薄片。

他们开发的凝胶是基于聚乙二醇(PEG),一种经常用于医疗应用的聚合物,因为它不会与活细胞相互作用。通过研究包围人体器官的细胞外基质的生化和生物物理特性,研究人员能够识别出可以纳入PEG凝胶的特征,以帮助细胞在其中生长。

其中一个关键特征是肽配体分子的存在,它与细胞表面的整合蛋白相互作用。配体和整合素之间的黏性结合使细胞粘附在凝胶上并形成类器官。研究人员发现,在凝胶中加入从纤维连接蛋白和胶原蛋白中提取的合成小肽,可以使它们生长出各种上皮组织,包括肠道组织。他们发现基质细胞和免疫细胞也能在这种环境中茁壮成长。

在这项新研究中,格里菲斯和乔根森想看看这种凝胶是否也可以用于支持正常胰腺器官和胰腺肿瘤的生长。传统上,很难以既复制癌细胞又复制支持环境的方式生长胰腺组织,因为一旦胰腺肿瘤细胞从身体中移除,它们就会失去其独特的癌变特征。

格里菲斯的实验室开发了一种生产新凝胶的方案,然后与研究胰腺癌生物学的乔根森的实验室合作进行测试。乔根森和他的学生们能够制造出这种凝胶,并利用从老鼠身上提取的健康或癌变的胰腺细胞,用它来培养胰腺类器官。

乔根森说:“我们从琳达那里得到了方案,我们得到了试剂,然后它就起作用了。”“我认为,这充分说明了该系统有多强大,在实验室中实施有多容易。”

他说,他们尝试过的其他方法太复杂,或者没有重现活组织中看到的微环境。使用这种凝胶,Jorgensen的实验室能够将胰腺类器官与他们在活老鼠身上研究过的组织进行比较,他们发现肿瘤类器官表达了许多在胰腺肿瘤中看到的整合素。此外,通常包围肿瘤的其他类型的细胞,包括巨噬细胞(一种免疫细胞)和成纤维细胞(一种支持细胞),也能够在微环境中生长。

Patient-derived细胞

研究人员还表明,他们可以使用这种凝胶从患者的胰腺癌细胞中培养类器官。他们认为,这也可能有助于研究肺癌、结直肠癌和其他癌症。这种系统可以用来分析潜在的抗癌药物如何影响肿瘤及其微环境。

格里菲斯还计划使用这种凝胶来生长和研究子宫内膜异位症患者的组织。子宫内膜异位症是一种导致子宫内膜的组织在子宫外生长的疾病。这会导致疼痛,有时还会导致不孕。

这种新型凝胶的优点之一是它是完全人工合成的,可以在实验室中通过混合特定的前体(包括聚乙二醇和一些多肽)来轻松制备。研究人员已经为这项技术申请了专利,并正在将其授权给一家可以商业生产这种凝胶的公司。

DOI 10.1038 / s41563 - 021 - 01085 - 1

A microenvironment-inspired synthetic three-dimensional model for pancreatic ductal adenocarcinoma organoids


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