【字体: 时间:2023年01月18日 来源:Nature Methods

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  通过OCTOPUS, Dan Huh的团队极大地推进了类器官研究的前沿,提供了优于传统凝胶液滴的平台。OCTOPUS将软水凝胶培养材料分成触手几何形状。薄的放射状培养室位于一个美国硬币大小的圆形圆盘上,允许类器官发展到前所未有的成熟程度。

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说到人体,没有所谓的“典型”。变化是规则。近年来,生物科学越来越关注于探索个体之间缺乏规范的痛苦,医学和药学研究人员也在提出问题,如何将有关生物变异的见解转化为更精确和更富有同情心的护理。

如果治疗方法可以为每个病人量身定制呢?如果我们能在试错治疗之前预测个体身体对药物的反应,会发生什么?有没有可能了解一个人的疾病开始和发展的方式,这样我们就可以确切地知道如何治愈它?

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院生物工程系副教授Dan Huh通过在体外复制生物系统来寻求这些问题的答案。这些内部系统的外部副本有望提高药物疗效,同时提供对患者健康的新水平的知识。

作为芯片器官技术的创新者,Huh将身体系统的微型副本存储在比U盘还小的塑料设备中,他将注意力扩大到利用病人自己的细胞在培养皿中制造微型器官。

最近发表在《自然方法》(Nature Methods)上的一项研究介绍了OCTOPUS,这是一种可以将培养皿中的器官培养到无与伦比的成熟水平的设备。该研究的领导者包括Estelle Park、Tatiana Karakasheva和Kathryn Hamilton。

在这项研究中,研究小组使用OCTOPUS(基于类器官培养的三维器官发生平台,具有不受限制的可溶性信号供应)来了解更多患有炎症性肠病(IBD)的儿童所面临的独特挑战。

“这项研究的目的,”Park说,“是创造一种设备,使细胞的环境尽可能接近人体。我们希望他们在培养皿中的发展与它们来源的发展相匹配,这样我们就有了一个真正的副本来学习。在这个世界上,90%以上的临床前动物研究在进行人体试验之前都失败了,而且两者的伦理都很复杂,OCTOPUS将是当前实验室实践的宝贵补充。”

这些被称为“类器官”的“培养皿中的器官”于2009年首次开发出来,为医学研究和患者护理的重大改进打开了大门。

为了制造它们,科学家们收集器官特异性干细胞,并将它们引入三维凝胶液滴中。在精心开发的化学饮食的滋养下,干细胞自发地组织成一个未成熟的器官。

与构成实验室测试支柱的简单二维细胞培养相比,类器官拥有大量信息。器官是由各种各样的细胞组成的,这些细胞不仅仅是它们生物材料的总和。它们在相互交流中发展和发挥作用。

与传统的细胞培养不同,类器官允许这些关系的发展。它们为研究器官如何发育和执行其特殊功能提供了有力的工具。

类器官产生了大量难以获取的人体数据,再现了个体患者器官的健康和异常方面。类器官越成熟,它们就越接近器官的真正复杂性。

通过OCTOPUS, Huh的团队极大地推进了类器官研究的前沿,提供了一个优于传统凝胶液滴的平台。

OCTOPUS将软水凝胶培养材料分成触手几何形状。薄的放射状培养室位于一个美国硬币大小的圆形圆盘上,允许类器官发展到前所未有的成熟程度。

“在类器官和干细胞研究中,有限的组织成熟度是一个重大问题,”Huh说。

解决这个问题的努力主要集中在生物化学上,通过开发更好的培养基配方,帮助干细胞分化成更成熟的组织。作为工程师,我们从不同的角度来解决这个问题,更多地关注类器官如何生长的物理方面。重新设计水凝胶支架的三维几何结构,我们能够设计常规培养模型的生化环境。OCTOPUS改善了营养物质、氧气和生长因子的运输,而不需要重新调整介质生物化学。”

本文还介绍了平台的增强版本,称为OCTOPUS-EVO,它将成熟度提升到一个新的水平。Huh的团队通过精确控制其流体环境,将插入物转变为隔室设备,使用各种器官细胞类型创造出如此先进的类器官,以至于形成了功能性血管。

“我们的技术之美,”Huh说,“在于极简主义。我们在设计这款设备时首先考虑了可用性。一个简单的插入,OCTOPUS可以毫不费力地纳入现有的实验室技术。这项技术易于采用,并能立即产生影响。”目前使用OCTOPUS培育类器官来研究儿童肠道疾病,他认为这种设备具有变革性。

“医学研究人员越能准确再现器官在体内的运作方式,就越能预测病人的反应,”Hamilton说。“这项技术正是我们筛选药物、测试疗法、描述健康行为和定位功能障碍所需要的。我们每天都在学习新东西。”

Geometric engineering of organoid culture for enhanced organogenesis in a dish

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