Новая культуральная мембрана воспроизводит естественную среду кишечника

Человеческий кишечник - это мягкая, гибкая ткань. Однако окружающая среда, традиционно используемая для культивирования кишечных клеток в лаборатории, резко отличается от условий в организме. Обычные культуральные платформы изготавливаются из синтетических материалов, которые намного жестче нативной кишечной ткани. Можно ли вместо этого предоставить клеткам среду, которая более точно напоминает кишечник?

Корейская исследовательская группа разработала новую культуральную мембрану, которая воспроизводит не только тканеспецифические компоненты кишечника, но и его мягкую физическую среду.

Исследовательская группа под руководством профессора Дона Сунг Кима из Департамента машиностроения и Аспирантуры конвергентных наук и технологий в POSTECH сотрудничала с доктором Хеоджи Ким из Департамента машиностроения, профессором Джэсынгом Юном из Медицинской школы университета CHA, выпускником POSTECH, и профессором Хён Джун Ким из Cleveland Clinic для разработки новой культуральной мембраны, которая одновременно воспроизводит биохимический состав и физические свойства нативной кишечной ткани.

Кишечные органоиды - это миниатюрные, полученные из стволовых клеток модели кишечника. Поскольку они воспроизводят различные типы клеток и функции нативного кишечника, они широко используются для изучения кишечных заболеваний и оценки ответа на лекарства. Для большего экспериментального удобства клетки, полученные из кишечных органоидов, могут выращиваться в виде плоского слоя на тонкой культуральной мембране.

Однако проблема заключается в самой мембране. Обычные синтетические полимерные мембраны намного жестче нативной кишечной ткани и не могут полностью воспроизвести её внеклеточный матрикс (ВКМ), специфичный для ткани. Другими словами, хотя клетки могут представлять кишечник, среда, в которой они растут, - нет.

Эта разница выходит за рамки простого того, как поверхность культуры "ощущается". Клетки реагируют не только на биохимические сигналы, такие как факторы роста и белки, но и на физические сигналы, включая жесткость и структурные свойства окружающей среды. Поскольку эти физические свойства могут влиять на пролиферацию клеток, дифференцировку и образование ткани, воссоздание физиологически релевантной модели кишечника требует учета как биохимического состава, так и физических свойств нативной ткани.

Исследовательская группа поэтому стремилась интегрировать оба признака в одну культуральную мембрану. Используя электрополимеризацию, они сначала изготовили ультратонкий нанофиброзный каркас, состоящий из волокон намного тоньше человеческого волоса. Затем они включили децеллюляризованный внеклеточный матрикс (дВКМ), полученный из ткани свиного толстого кишечника, из которого были удалены клеточные компоненты, сохраняя при этом компоненты внеклеточного матрикса.

В результате мембрана C-NaDE была разработана для объединения структурной стабильности нанофиброзного каркаса с тканеспецифичными биохимическими компонентами толстокишечного дВКМ. В отличие от обычных синтетических культуральных мембран, она также обеспечивала мягкую физическую среду, более близкую к среде нативной кишечной ткани, позволяя клеткам испытывать микроокружение, которое более точно соответствует их физиологическому окружению.

Эффекты были очевидны на клеточном уровне. Когда эпителиальные клетки, полученные из органоидов толстого кишечника человека, культивировались на мембране, исследователи наблюдали улучшенные характеристики, связанные с поддержанием стволовых клеток кишечника и пролиферацией клеток.

Генетические маркеры, связанные с определенными линиями секреторных клеток, которые относительно сложно наблюдать при обычных условиях культуры, также увеличились. Кроме того, полученный эпителиальный слой проявил морфологические характеристики, более точно напоминающие характеристики нативной кишечной ткани.

Ключевое достижение исследования заключается в выходе за рамки обычных подходов, которые в основном сосредоточены на дополнении отдельных белков или факторов роста. Вместо этого исследователи воссоздали как биохимический состав, так и физическую среду, в которой естественным образом находятся кишечные клетки.

Путем интеграции биохимических сигналов, полученных из ткани, с биофизическими сигналами, такими как физиологически релевантная мягкость, новая мембрана помогает сократить разрыв между обычными синтетическими культуральными субстратами и нативной кишечной тканью.

Технология также может быть включена в обычные системы культивирования клеток, а также в микрофлюидные платформы "орган на чипе". Исследователи ожидают, что мембрана может быть дополнительно разработана как платформа для моделирования кишечных заболеваний, тестирования ответа на лекарства, оценки кишечного барьера и изучения взаимодействий между кишечным эпителием и микробиотой кишечника.

Дон Сунг Ким из POSTECH сказал: "Модели кишечных органоидов имеют преимущество воспроизведения различных типов кишечных клеток, но когда они культивируются как монослой, они обычно опираются на синтетические субстраты, биохимические и физические свойства которых существенно отличаются от свойств нативной ткани."

Он добавил: "Значение этого исследования заключается в интеграции тканеспецифичных компонентов кишечника и физиологически релевантной физической среды в одну культуральную мембрану."

Юн из Медицинской школы университета CHA, первый автор исследования, сказал: "Клетки реагируют не только на биохимические факторы, такие как факторы роста и белки, но и на физические свойства окружающей среды, включая жесткость." Он объяснил: "Одновременно воссоздав биохимическое и биофизическое микроокружение кишечной ткани, наш подход обеспечивает основу для разработки моделей кишечника, которые более точно напоминают окружение in vivo."

Он добавил: "Поскольку мембрана может быть включена в существующие системы культуры и микрофлюидные чипы, мы ожидаем, что она будет служить платформой нового поколения для исследования кишечных заболеваний, оценки лекарств и исследования взаимодействий между микробиотой кишечника и кишечной тканью."