Χρησιμοποιώντας ένα εξειδικευμένο τζελ που μιμείται το εξωκυτταρικό περιβάλλον που περιβάλλει το πάγκρεας, οι ερευνητές μπόρεσαν να αναπτύξουν παγκρεατικά «οργανοειδή», επιτρέποντάς τους να μελετήσουν τις σημαντικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των παγκρεατικών όγκων και του περιβάλλοντός τους. Σε αντίθεση με μερικά από τα πηκτώματα που χρησιμοποιούνται τώρα για την ανάπτυξη ιστού, το νέο τζελ MIT είναι εντελώς συνθετικό, εύκολο στη συναρμολόγηση και μπορεί να παραχθεί με σταθερή σύνθεση κάθε φορά.

«Το ζήτημα της αναπαραγωγιμότητας είναι ένα σημαντικό ζήτημα», λέει η Linda Griffith, καθηγήτρια Σχολής Μηχανικών Διδασκαλίας Καινοτομίας και καθηγήτρια βιολογικής μηχανικής και μηχανολογίας. "Η ερευνητική κοινότητα έψαχνε τρόπους για να κάνει πιο μεθοδικές καλλιέργειες αυτών των ειδών οργανοειδών, και ειδικά για τον έλεγχο του μικροπεριβάλλοντος."

Οι ερευνητές έχουν επίσης δείξει ότι το νέο τους τζελ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη άλλων τύπων ιστών, συμπεριλαμβανομένου του εντερικού και του ενδομητρικού ιστού.

Ο Griffith και ο Claus Jorgensen, επικεφαλής ομάδας στο Cancer Research UK Manchester Institute, είναι οι ανώτεροι συγγραφείς της εφημερίδας, η οποία εμφανίζεται σήμερα στο Φύση ΥλικάΤο Ο κύριος συγγραφέας είναι ο Christopher Below, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής στο Cancer Research UK Manchester Institute.

Μίμηση του μικροπεριβάλλοντος

Παραδοσιακά, τα εργαστήρια έχουν χρησιμοποιήσει εμπορικά διαθέσιμο τζελ προερχόμενο από ιστό για την ανάπτυξη οργανοειδών σε ένα πιάτο εργαστηρίου. Ωστόσο, καθώς το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο εμπορικό τζελ είναι ένα πολύπλοκο μείγμα πρωτεϊνών, πρωτεογλυκανών και αυξητικών παραγόντων που προέρχονται από έναν όγκο που αναπτύσσεται σε ποντίκια, είναι μεταβλητό από παρτίδα σε παρτίδα και έχει ανεπιθύμητα συστατικά, λέει ο Griffith. Επίσης, δεν επιτρέπει πάντα την ανάπτυξη πολλών τύπων κυττάρων. Πριν από περίπου 10 χρόνια, το εργαστήριο του Griffith άρχισε να σχεδιάζει ένα συνθετικό τζελ που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη επιθηλιακών κυττάρων, τα οποία σχηματίζουν τα φύλλα που ευθυγραμμίζουν τα περισσότερα όργανα, μαζί με άλλα υποστηρικτικά κύτταρα.

Το τζελ που ανέπτυξαν βασίζεται σε πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG), ένα πολυμερές που χρησιμοποιείται συχνά για ιατρικές εφαρμογές επειδή δεν αλληλεπιδρά με τα ζωντανά κύτταρα. Μελετώντας τις βιοχημικές και βιοφυσικές ιδιότητες της εξωκυττάριας μήτρας, που περιβάλλει τα όργανα του σώματος, οι ερευνητές μπόρεσαν να εντοπίσουν χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να ενσωματώσουν στο πήκτωμα PEG για να βοηθήσουν τα κύτταρα να αναπτυχθούν σε αυτό.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό είναι η παρουσία μορίων που ονομάζονται πεπτιδικοί υποκαταστάτες, τα οποία αλληλεπιδρούν με τις πρωτεΐνες της κυτταρικής επιφάνειας που ονομάζονται ιντεγκρίνες. Η κολλώδης δέσμευση μεταξύ συνδετών και ιντεγκρινών επιτρέπει στα κύτταρα να προσκολληθούν στο πήκτωμα και να σχηματίσουν οργανοειδή. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ενσωμάτωση μικρών συνθετικών πεπτιδίων που προέρχονται από ινονεκτίνη και κολλαγόνο στις γέλες τους τους επέτρεψε να αναπτύξουν μια ποικιλία επιθηλιακών ιστών, συμπεριλαμβανομένου του εντερικού ιστού. Έδειξαν ότι υποστηρικτικά κύτταρα που ονομάζονται στρωματικά κύτταρα, μαζί με τα κύτταρα του ανοσοποιητικού, μπορούν επίσης να ευδοκιμήσουν σε αυτό το περιβάλλον.

Στη νέα μελέτη, οι Griffith και Jorgensen ήθελαν να δουν αν το τζελ θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να υποστηρίξει την ανάπτυξη φυσιολογικών παγκρεατικών οργανοειδών και παγκρεατικών όγκων. Παραδοσιακά, ήταν δύσκολο να αναπτυχθεί ο παγκρεατικός ιστός με τρόπο που να αντιγράφει τόσο τα καρκινικά κύτταρα όσο και το υποστηρικτικό περιβάλλον, επειδή μόλις αφαιρεθούν τα κύτταρα όγκου του παγκρέατος από το σώμα, χάνουν τα διακριτικά καρκινικά χαρακτηριστικά τους.

Το εργαστήριο του Griffith ανέπτυξε ένα πρωτόκολλο για την παραγωγή του νέου τζελ και στη συνέχεια συνεργάστηκε με το εργαστήριο του Jorgensen, το οποίο μελετά τη βιολογία του καρκίνου του παγκρέατος, για να το δοκιμάσει. Ο Jorgensen και οι μαθητές του μπόρεσαν να παράγουν το τζελ και να το χρησιμοποιούν για την ανάπτυξη παγκρεατικών οργανοειδών, χρησιμοποιώντας υγιή ή καρκινικά παγκρεατικά κύτταρα που προέρχονται από ποντίκια.

"Πήραμε το πρωτόκολλο από τη Linda και πήραμε τα αντιδραστήρια και στη συνέχεια λειτούργησε", λέει ο Jorgensen. "Νομίζω ότι μιλάει για το πόσο ισχυρό είναι το σύστημα και πόσο εύκολο είναι να εφαρμοστεί στο εργαστήριο."

Άλλες προσεγγίσεις που είχαν δοκιμάσει ήταν πολύ περίπλοκες ή δεν ανακεφαλαιώνουν το μικροπεριβάλλον που παρατηρείται στους ζωντανούς ιστούς, λέει. Χρησιμοποιώντας αυτό το τζελ, το εργαστήριο του Jorgensen μπόρεσε να συγκρίνει τα παγκρεατικά οργανοειδή με ιστούς που έχουν μελετήσει σε ζωντανά ποντίκια και διαπίστωσαν ότι τα οργανοειδή του όγκου εκφράζουν πολλές από τις ίδιες ιντεγκρίνες που παρατηρούνται στους όγκους του παγκρέατος. Επιπλέον, άλλοι τύποι κυττάρων που κανονικά περιβάλλουν τους όγκους, συμπεριλαμβανομένων των μακροφάγων (ένας τύπος ανοσοκυττάρων) και των ινοβλαστών (ένας τύπος υποστηρικτικών κυττάρων), ήταν επίσης σε θέση να αναπτυχθούν στο μικροπεριβάλλον.

Κύτταρα που προέρχονται από τον ασθενή

Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι μπορούν να χρησιμοποιήσουν το τζελ τους για την ανάπτυξη οργανοειδών από καρκινικά κύτταρα του παγκρέατος από ασθενείς. Πιστεύουν ότι θα μπορούσε επίσης να είναι χρήσιμο για τη μελέτη καρκίνων του πνεύμονα, του παχέος εντέρου και άλλων. Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αναλύσουν πώς τα πιθανά φάρμακα για τον καρκίνο επηρεάζουν τους όγκους και το μικροπεριβάλλον τους.

«Οι ανακαλύψεις που περιγράφονται σε αυτό το έγγραφο θα διευκολύνουν περαιτέρω σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τις απαντήσεις στις νέες προσεγγίσεις θεραπείας με φάρμακα», λέει η Hilary Critchley, καθηγήτρια αναπαραγωγικής ιατρικής και συν-αναπληρώτρια διευθύντρια του Κέντρου MRC για την Αναπαραγωγική Υγεία στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. δεν συμμετέχουν στη μελέτη. "Το πεδίο του καρκίνου βασίζεται εδώ και καιρό σε άλλες προσεγγίσεις (μοντέλα ποντικών ή μελέτες μεμονωμένων κυττάρων), και η συμβολή της οργανοειδούς προσέγγισης, και κυρίως η δομή πηκτής στην οποία αναπτύσσονται αυτές οι μίνι ομάδες κυττάρων, θα είναι καθοριστική για την πρόοδο της έρευνας."

Ο Griffith σχεδιάζει επίσης να χρησιμοποιήσει το τζελ για την ανάπτυξη και τη μελέτη ιστών από ασθενείς με ενδομητρίωση, μια κατάσταση που προκαλεί τον ιστό που καλύπτει τη μήτρα να αναπτυχθεί έξω από τη μήτρα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πόνο και μερικές φορές σε στειρότητα.

Ένα από τα πλεονεκτήματα του νέου τζελ είναι ότι είναι εντελώς συνθετικό και μπορεί να παρασκευαστεί εύκολα σε εργαστήριο αναμειγνύοντας συγκεκριμένους προδρόμους, συμπεριλαμβανομένου του PEG και ορισμένων πολυπεπτιδίων. Οι ερευνητές έχουν καταθέσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την τεχνολογία και βρίσκονται σε διαδικασία αδειοδότησης σε εταιρεία που θα μπορούσε να παράγει το τζελ εμπορικά.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Cancer Research UK, το Rosetrees Trust, ένα European Research Council Consolidator Award, το National Science Foundation, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και τον οργανισμό Defense Advanced Research Projects Agency.