Пытаясь преодолеть эти ограничения, группа специалистов из Института биологической инженерии Висса во главе с директором-основателем Дональдом Ингбером, доктором медицины, доктором философии, ранее разработала микрожидкостный «Орган на чипе» (Орган на чипе). Chip) устройство для культивирования, в котором клетки линии клеток кишечника человека, первоначально выделенные из опухоли, культивировали в одном из двух параллельных проходящих каналов, разделенных пористой мембраной, покрытой матрицей, от эндотелиальных клеток, происходящих из кровеносных сосудов человека, в соседнем канале.
Хотя этот человеческий кишечник воссоздал эпителий ворсинок нормального кишечника и позволил по-новому взглянуть на то, как кровоток и циклическая перистальтика влияют на дифференцировку и функцию кишечника, его нельзя было использовать для изучения процессов, которые зависят от нормальных кишечных клеток от отдельных доноров, которые, например, , имеет решающее значение для изучения реакции конкретного пациента на персонализированную медицину.В новом исследовании, опубликованном в Scientific Reports, команда Ингбера устраняет эти препятствия. «Теперь мы можем использовать органоидный подход для выделения кишечных стволовых клеток из биопсии человека, но мы разбиваем органоиды и культивируем специфичные для пациента клетки в наших чипах для органов, где они спонтанно образуют кишечные ворсинки, ориентированные в направлении просвета канала, и эпителий в непосредственной близости к эндотелию микрососудов кишечника человека ", — сказал Ингбер, который также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы (HMS) и программы биологии сосудов в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардском университете имени Джона Фолкмана. Школа инженерии и прикладных наук А. Полсона (SEAS). «Этот подход представляет собой новую ступеньку для исследования нормальных и связанных с болезнями процессов с высокой степенью персонализации, включая транспортировку питательных веществ, пищеварение, различные кишечные расстройства и кишечные взаимодействия с комменсальными микробами, а также патогенами».Команда сотрудничала с лабораторией Дэвида Бро в Бостонской детской больнице, чтобы внедрить культуру органоидов в свою процедуру, чтобы изолировать нормальные кишечные стволовые клетки и увеличить их количество.
Полученные органоиды можно было либо сохранить для будущего использования, либо сразу же фрагментировать и засеять в «эпителиальные» каналы множества органных чипов, где они подверглись дальнейшему созреванию, протекая специализированной культуральной средой и применяя механическую стимуляцию к каналам для имитации физиологических перистальтических движений. Созреванию эпителия кишечного эпителия ворсинок с длинными пальцеобразными выступами способствовало совместное культивирование эндотелиальных клеток микрососудов кишечника человека на противоположной стороне общей пористой мембраны, покрытой матриксом, в «сосудистом» канале, где они собирали суррогатную кровь. сосуд с полым просветом, через который протекала питательная среда.
Таким образом, объединение двух самых передовых технологий в области тканевой инженерии? органоидная культура и органные чипы? позволили создать ткани кишечника и структуры на уровне органов, выстланные человеческими донор-специфическими клетками, с морфологией, составом и функциями, сильно напоминающими дуоденальную область нормальной тонкой кишки. «Поскольку первичный чип тонкого кишечника воспроизводит физическое микроокружение, которое клетки испытывают внутри человеческого тела, такое как поток жидкости и циклические перистальтические растягивающие движения, он демонстрирует профиль экспрессии генов в масштабе всего генома, который приближается к его аналогу in vivo, чем тот. одних и тех же кишечных клеток, выращенных в виде трехмерных органоидов », — сказала первый автор исследования Магдалена Касендра, доктор философии, бывший научный сотрудник команды Ингбера, а ныне главный научный сотрудник Emulate, Inc. в Бостоне.Наряду со стволовыми клетками кишечника команда определила дифференцированные энтероциты, переваривающие и поглощающие питательные вещества, бокаловидные клетки, производящие слизь, энтероэндокринные клетки, секретирующие гормоны, а также регулирующие и чувствительные клетки Панета, и провели серию анализов, которые подтвердили их функции. Поскольку микросреда тонкого кишечника может поддерживаться в течение нескольких недель в непрерывно перфузируемых чипах для органов, они позволяют проводить как краткосрочные, так и долгосрочные исследования, наблюдения которых могут быть связаны со здоровьем и физиологией отдельных доноров.
Команда Ингбера теперь применяет тот же подход к различным областям кишечника — двенадцатиперстной кишке, тощей кишке, подвздошной кишке и толстой кишке, функции и уязвимости которых отличаются друг от друга. Этот подход также используется для реинжиниринга еще более сложных сред кишечника путем интеграции в устройство других типов клеток, таких как иммунные клетки, нейрональные клетки и комменсальные микробы. «В будущем такие усилия могут позволить нам гораздо лучше понять взаимодействие человека и микробиома, моделировать нарушения питания и воспалительные заболевания кишечника, а также проводить персонализированные тесты на наркотики», — сказал соавтор исследования Алессио Товальери, аспирант кафедры. наук и технологий в области здравоохранения в ETH Zurich в Швейцарии, который выполняет свою диссертацию в команде Ингбера.
Дополнительными авторами исследования являются Дэвид Бро, доктор медицины, доктор философии, доцент HMS и научный сотрудник Бостонской детской больницы; Александра Зонтхаймер-Фелпс, Сасан Джалили-Фироозинежад, Амир Бейн, доктор философии, Анжелики Халкиадаки, доктор философии, и Уильям Шолль из Института Висс; Ченг Чжан, доктор философии, и Ху Ли, доктор философии, из Медицинского колледжа клиники Мэйо в Рочестере, Минесота; и Камилла Ричмонд, доктор медицины, и Ханна Рикнер из Бостонской детской больницы. Он финансировался Гарвардским институтом биологической инженерии Висса, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов, Массачусетским институтом больницы общего профиля Рэгона, Массачусетским технологическим институтом и Гарвардским университетом, Национальным институтом здравоохранения и Фондом Билла и Мелинды Гейтс.