Инженеры Массачусетского технологического института в сотрудничестве с учеными из Манчестерского института исследований рака Великобритании разработали новый способ выращивания крошечных копий поджелудочной железы, используя здоровые или раковые клетки поджелудочной железы. Их новые модели могут помочь исследователям в разработке и тестировании потенциальных лекарств от рака поджелудочной железы, который в настоящее время является одним из самых сложных для лечения видов рака.
Используя специальный гель, имитирующий внеклеточную среду, окружающую поджелудочную железу, исследователи смогли вырастить органоиды поджелудочной железы , что позволило им изучить важные взаимодействия между опухолями поджелудочной железы и окружающей их средой. В отличие от некоторых гелей, которые сейчас используются для выращивания тканей, новый гель MIT является полностью синтетическим, легко собирается и может каждый раз производиться с постоянным составом.
«Проблема воспроизводимости - одна из основных», - говорит Линда Гриффит, профессор педагогических инноваций Школы инженерии и профессор биологической инженерии и машиностроения. « Исследовательское сообщество искало способы сделать больше методических культур этих видов органоидов, и особенно контролировать микросреду».
Исследователи также показали, что их новый гель можно использовать для выращивания других типов тканей, включая ткань кишечника и эндометрия.
Гриффит и Клаус Йоргенсен, руководитель группы в Манчестерском институте онкологических исследований Великобритании, являются старшими авторами статьи, которая сегодня публикуется в журнале Nature Materials . Ведущий автор - Кристофер Белов, бывший аспирант Манчестерского института онкологических исследований Великобритании.
Имитация микросреды
Традиционно лаборатории использовали коммерчески доступный тканевый гель для выращивания органоидов в лабораторной посуде. Однако, поскольку наиболее широко используемый коммерческий гель представляет собой сложную смесь белков, протеогликанов и факторов роста, полученных из опухоли, выращенной у мышей, он варьируется от партии к партии и содержит нежелательные компоненты, говорит Гриффит. Это также не всегда позволяет расти нескольким типам клеток. Около 10 лет назад лаборатория Гриффита начала работать над созданием синтетического геля, который можно было бы использовать для выращивания эпителиальных клеток , образующих слои, выстилающие большинство органов, наряду с другими поддерживающими клетками.
Разработанный ими гель основан на полиэтиленгликоле (ПЭГ), полимере, который часто используется в медицинских целях, поскольку он не взаимодействует с живыми клетками. Изучая биохимические и биофизические свойства внеклеточного матрикса, который окружает органы в организме, исследователи смогли определить особенности, которые они могут включить в гель PEG, чтобы помочь клеткам расти в нем.
Исследователи также смогли использовать свою систему для выращивания поддерживающих клеток, таких как фибробласты (зеленые) и макрофаги (оранжевые), окружающие органоиды поджелудочной железы. Предоставлено: Джоанна Келли и Кристофер Боул.
Одной из ключевых особенностей является присутствие молекул, называемых пептидными лигандами, которые взаимодействуют с белками клеточной поверхности, называемыми интегринами. Липкое связывание между лигандами и интегринами позволяет клеткам прикрепляться к гелю и образовывать органоиды. Исследователи обнаружили, что включение небольших синтетических пептидов, полученных из фибронектина и коллагена, в их гели, позволило им вырастить различные эпителиальные ткани, включая ткань кишечника. Они показали, что поддерживающие клетки, называемые стромальными клетками, наряду с иммунными клетками, также могут процветать в этой среде.
В новом исследовании Гриффит и Йоргенсен хотели посмотреть, можно ли использовать гель для поддержки роста нормальных органоидов поджелудочной железы и опухолей поджелудочной железы. Традиционно было трудно выращивать ткань поджелудочной железы таким образом, чтобы воспроизводить как раковые клетки, так и поддерживающую среду, потому что после удаления опухолевых клеток поджелудочной железы из организма они теряют свои отличительные раковые черты.
Лаборатория Гриффита разработала протокол для производства нового геля, а затем объединилась с лабораторией Йоргенсена, изучающей биологию рака поджелудочной железы, чтобы проверить его. Йоргенсен и его ученики смогли произвести гель и использовать его для выращивания органоидов поджелудочной железы, используя здоровые или раковые клетки поджелудочной железы, полученные от мышей.
«Мы получили протокол от Линды, мы получили реагенты, и тогда он просто сработал», - говорит Йоргенсен. «Я думаю, это многое говорит о том, насколько надежна система и насколько легко ее реализовать в лаборатории».
По его словам, другие подходы, которые они испробовали, были слишком сложными или не воспроизводили микросреду, наблюдаемую в живых тканях. Используя этот гель, лаборатория Йоргенсена смогла сравнить органоиды поджелудочной железы с тканями, которые они изучили у живых мышей, и они обнаружили, что органоиды опухоли экспрессируют многие из тех же интегринов, которые наблюдаются в опухолях поджелудочной железы. Кроме того, другие типы клеток, которые обычно окружают опухоли, включая макрофаги (тип иммунных клеток) и фибробласты (тип поддерживающих клеток), также могут расти в микросреде.
Клетки, полученные от пациентов
Исследователи также показали, что они могут использовать свой гель для выращивания органоидов из раковых клеток поджелудочной железы пациентов. Они считают, что это также может быть полезно для изучения рака легких, толстой кишки и других видов рака. Такие системы можно использовать для анализа того, как потенциальные противораковые препараты влияют на опухоли и их микросреду.
Гриффит также планирует использовать гель для выращивания и изучения тканей пациентов с эндометриозом - состоянием, при котором ткань , выстилающая матку, разрастается за пределы матки. Это может привести к боли, а иногда и к бесплодию.
Одним из преимуществ нового геля является то, что он полностью синтетический и может быть легко изготовлен в лаборатории путем смешивания определенных предшественников, включая ПЭГ и некоторые полипептиды. Исследователи зарегистрировали патент на эту технологию и сейчас лицензируют ее для компании, которая могла бы производить гель на коммерческой основе.
