Met behulp van een gespecialiseerde gel die de extracellulaire omgeving rond de pancreas nabootst, konden de onderzoekers pancreatische "organoïden" kweken, waardoor ze de belangrijke interacties tussen pancreastumoren en hun omgeving konden bestuderen. In tegenstelling tot sommige van de gels die nu worden gebruikt om weefsel te laten groeien, is de nieuwe MIT-gel volledig synthetisch, eenvoudig te assembleren en kan elke keer met een consistente samenstelling worden geproduceerd.

"De kwestie van reproduceerbaarheid is een belangrijke", zegt Linda Griffith, de School of Engineering Professor of Teaching Innovation en een professor in biologische engineering en werktuigbouwkunde. "De onderzoeksgemeenschap is op zoek naar manieren om meer methodische culturen van dit soort organoïden te doen, en vooral om de micro-omgeving te beheersen."

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat hun nieuwe gel kan worden gebruikt om andere soorten weefsel te laten groeien, waaronder darm- en endometriumweefsel.

Griffith en Claus Jorgensen, een groepsleider bij het Cancer Research UK Manchester Institute, zijn de senior auteurs van het artikel, dat vandaag verschijnt in Natuur materialen. De hoofdauteur is Christopher Below, een voormalig afgestudeerde student aan het Cancer Research UK Manchester Institute.

De micro-omgeving nabootsen

Traditioneel hebben laboratoria in de handel verkrijgbare van weefsel afgeleide gel gebruikt om organoïden in een laboratoriumschaal te kweken. Omdat de meest gebruikte commerciële gel echter een complex mengsel is van eiwitten, proteoglycanen en groeifactoren die zijn afgeleid van een tumor die in muizen wordt gekweekt, varieert het van partij tot partij en bevat het ongewenste componenten, zegt Griffith. Het staat ook niet altijd de groei van meerdere soorten cellen toe. Ongeveer 10 jaar geleden begon het laboratorium van Griffith te werken aan het ontwerpen van een synthetische gel die kan worden gebruikt om epitheelcellen te laten groeien, die de vellen vormen die de meeste organen bekleden, samen met andere ondersteunende cellen.

De gel die ze ontwikkelden is gebaseerd op polyethyleenglycol (PEG), een polymeer dat vaak wordt gebruikt voor medische toepassingen omdat het geen interactie aangaat met levende cellen. Door de biochemische en biofysische eigenschappen van de extracellulaire matrix, die organen in het lichaam omringt, te bestuderen, konden de onderzoekers kenmerken identificeren die ze in de PEG-gel konden opnemen om cellen erin te laten groeien.

Een belangrijk kenmerk is de aanwezigheid van moleculen die peptide-liganden worden genoemd en die een interactie aangaan met celoppervlakte-eiwitten die integrines worden genoemd. Door de kleverige binding tussen liganden en integrines kunnen cellen zich aan de gel hechten en organoïden vormen. De onderzoekers ontdekten dat het opnemen van kleine synthetische peptiden afgeleid van fibronectine en collageen in hun gels hen in staat stelde een verscheidenheid aan epitheelweefsels te laten groeien, waaronder darmweefsel. Ze toonden aan dat ondersteunende cellen, stromale cellen genaamd, samen met immuuncellen ook in deze omgeving kunnen gedijen.

In de nieuwe studie wilden Griffith en Jorgensen zien of de gel ook kan worden gebruikt om de groei van normale pancreasorganoïden en pancreastumoren te ondersteunen. Traditioneel was het moeilijk om pancreasweefsel te kweken op een manier die zowel de kankercellen als de ondersteunende omgeving repliceert, omdat zodra pancreastumorcellen uit het lichaam zijn verwijderd, ze hun kenmerkende kankerachtige eigenschappen verliezen.

Het laboratorium van Griffith ontwikkelde een protocol om de nieuwe gel te produceren en werkte vervolgens samen met het laboratorium van Jorgensen, dat de biologie van alvleesklierkanker bestudeert, om het te testen. Jorgensen en zijn studenten waren in staat om de gel te produceren en deze te gebruiken om pancreasorganoïden te laten groeien, met behulp van gezonde of kankerachtige pancreascellen afkomstig van muizen.

"We hebben het protocol van Linda gekregen en we hebben de reagentia binnen, en toen werkte het gewoon", zegt Jorgensen. "Ik denk dat dat boekdelen zegt over hoe robuust het systeem is en hoe gemakkelijk het te implementeren is in het lab."

Andere benaderingen die ze hadden geprobeerd, waren te ingewikkeld of vatten niet de micro-omgeving samen die we in levende weefsels zien, zegt hij. Met behulp van deze gel kon het laboratorium van Jorgensen de pancreasorganoïden vergelijken met weefsels die ze bij levende muizen hebben bestudeerd, en ze ontdekten dat de tumororganoïden veel van dezelfde integrines tot expressie brengen die worden gezien in pancreastumoren. Bovendien konden andere soorten cellen die normaal gesproken tumoren omringen, waaronder macrofagen (een soort immuuncellen) en fibroblasten (een soort ondersteunende cellen), ook in de micro-omgeving groeien.

Patiënt-afgeleide cellen

De onderzoekers toonden ook aan dat ze hun gel kunnen gebruiken om organoïden te kweken uit alvleesklierkankercellen van patiënten. Ze geloven dat het ook nuttig kan zijn voor het bestuderen van long-, colorectale en andere kankers. Dergelijke systemen kunnen worden gebruikt om te analyseren hoe potentiële kankermedicijnen tumoren en hun micro-omgeving beïnvloeden.

"De ontdekkingen die in dit artikel worden beschreven, zullen verdere belangrijke vragen vergemakkelijken met betrekking tot antwoorden op nieuwe benaderingen van medicamenteuze behandeling", zegt Hilary Critchley, hoogleraar reproductieve geneeskunde en mede-adjunct-directeur van het MRC Center for Reproductive Health aan de Universiteit van Edinburgh, die was niet bij de studie betrokken. "Het kankerveld heeft lang vertrouwd op andere benaderingen (muismodellen of geïsoleerde celstudies), en de bijdrage van de organoïde benadering, en met name de gelstructuur waarin deze minigroepen van cellen groeien, zal cruciaal zijn voor de vooruitgang van het onderzoek."

Griffith is ook van plan de gel te gebruiken om weefsel te kweken en te bestuderen van patiënten met endometriose, een aandoening die ervoor zorgt dat het weefsel dat de baarmoeder bekleedt buiten de baarmoeder groeit. Dit kan leiden tot pijn en soms onvruchtbaarheid.

Een van de voordelen van de nieuwe gel is dat deze volledig synthetisch is en gemakkelijk in een laboratorium kan worden gemaakt door specifieke voorlopers, waaronder PEG en sommige polypeptiden, te mengen. De onderzoekers hebben een patent aangevraagd op de technologie en zijn bezig met het verlenen van licenties aan een bedrijf dat de gel commercieel zou kunnen produceren.

Het onderzoek werd gefinancierd door Cancer Research UK, de Rosetrees Trust, een European Research Council Consolidator Award, de National Science Foundation, de National Institutes of Health en het Defense Advanced Research Projects Agency.