Инженерные ассамблоиды сухожилий для исследования перекрестных клеточных помех при заболевании и восстановлении
22 марта 2024 г.
В данной работе мы представляем ассамблоидную модельную систему, имитирующую перекрестные помехи между несущей тканью сухожильного ядра и внешним компартментом, содержащим клеточные популяции, активированные болезнью и травмой. В качестве важного примера использования мы демонстрируем, как система может быть развернута для исследования активации внешних эндотелиальных клеток, связанных с заболеванием.
Сухожилия облегчают движение, передавая силы от мышц к костям. Несмотря на то, что травмы сухожилий являются распространенным явлением, они довольно трудно поддаются лечению, и исход для пациентов часто бывает неблагоприятным. В настоящее время все методы лечения травм сухожилий включают в себя тот или иной вид физиотерапии, и это отражает тот факт, что механические силы играют центральную роль в биологии сухожилий.
Хороших экспериментальных моделей для изучения повреждений и восстановления сухожилий на самом деле не существует, поэтому моя лаборатория активно разрабатывает новые модели, которые могут лучше отразить важные особенности физиологии и патофизиологии сухожилий. В предыдущих исследованиях мы могли показать, что сухожильный сердечник, который представляет собой несущую часть сухожилия, сам по себе имеет очень ограниченную способность к восстановлению. В сочетании с другими исследованиями в этой области, мы предположили, что поврежденное ядро будет рекрутировать клетки из внешнего сухожилийного компартмента, чтобы помочь ему зажить.
Тканеинженерная система модели сухожилия может обеспечить нагружаемую 3D-среду, но не соответствует сложностям экзоцеллюлярного матрикса in vivo. Модельные системы эксплантации работают, но их часто трудно поддерживать в рабочем состоянии и они механически нагружаются в течение более длительных периодов времени или им не хватает внешнего отсека, который является центральным для процессов ремонта. Наша уникальная модельная система сочетает в себе преимущества эксплантатов сердцевины морского хвоста с преимуществами 3D-гидрогелевых базовых систем.
Он обеспечивает загружаемую матрицу ядра, подобную in vivo, наряду с искусственным внешним отсеком. Его состав может быть настроен в соответствии с гипотезой исследования и биомиметическим кросс-компартментным барьером между ними. Наши гибридные ассамблоиды гидрогелевых эксплантов находятся в отличном положении для изучения биологии стержня сухожилия, взаимодействия функций матричной структуры и кросс-компартментных взаимодействий между конкретными клеточными популяциями в тонко настраиваемой микросреде.
Открытия, сделанные в ходе исследований, проведенных с помощью этой системы, будут направлять исследования и разработку методов лечения in vivo.
Обзор
В данной работе представлена инновационная модель ассемблоида, разработанная для имитации клеточных взаимодействий в сухожилиях, с особым акцентом на несущую основную ткань и внешний отдел, подверженный воздействию травмы. Модель позволяет исследовать активацию эндотелиальных клеток, связанную с заболеванием, что дает представление о механизмах восстановления сухожилий.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Биология
- Тканевая инженерия
Теоретические основы
- Сухожилия имеют решающее значение для передачи усилия от мышц к костям.
- Травмы сухожилий распространены и трудно поддаются лечению, что часто приводит к неудовлетворительным результатам для пациентов.
- Существующие модели для исследования сухожилий ограничены в своей способности имитировать условия in vivo.
- Целью данного исследования является разработка модели, отражающей сложности биологии и восстановления сухожилий.
Цель исследования
- Создать гибридную модель, объединяющую преимущества эксплантатов сухожилия и трехмерных гидрогелевых систем.
- Изучить взаимодействия между клетками ядра сухожилия и популяциями внешних клеток в процессе восстановления.
- Углубить понимание физиологии и патофизиологии сухожилий.
Используемые методы
- Выделение эксплантатов ядра сухожилия из хвостов мышей.
- Разработка коллагенового гидрогеля для поддержания клеточной культуры.
- Механическое воздействие на ассемблоид для имитации условий in vivo.
- Кокультивирование клеток сухожилия с внешними популяциями клеток.
Основные результаты
- Модель ассемблоида успешно имитирует среду сухожилия.
- Она позволяет изучать клеточные взаимодействия, имеющие значение для восстановления сухожилий.
- Полученные результаты послужат основой для будущих исследований in vivo и разработки стратегий лечения.
- Модель демонстрирует потенциал для точной настройки экспериментальных условий.
Выводы
- Гибридный гидрогелевый эксплант-ассемблоид является перспективным инструментом для исследования сухожилий.
- Он восполняет пробел между традиционными моделями и системами in vivo.
- Будущие исследования с использованием этой модели могут привести к улучшению методов лечения повреждений сухожилий.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Создание тендонных ассемблоидов позволяет систематически исследовать многоклеточное взаимодействие и матриксные взаимодействия, которые имеют решающее значение для моделирования заболеваний сухожилий и поиска путей их восстановления. Эта система «эксплантат-гидрогель» в 3D устраняет трансляционный разрыв между упрощенными анализами in vitro и сложными моделями in vivo, обеспечивая прогностическую достоверность при валидации мишеней на ранних стадиях и снижении рисков при изучении механизмов. Настраиваемость и воспроизводимость данной платформы делают ее универсальным инструментом для комплексного изучения биологии сухожилий и тестирования терапевтических гипотез в рамках всего портфеля исследований.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет исследовать межклеточное взаимодействие и ремоделирование матрикса, имеющие значение при патологии сухожилий.
- Способствует снижению механистических рисков за счет моделирования популяций клеток, активированных заболеванием, в контролируемом 3D-контексте.
- Облегчает функциональную валидацию мишеней посредством манипулирования определенными стимулами микроокружения.
- Предоставляет платформу для гипотетического изучения механизмов восстановления и зависимостей сигнальных путей.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает физиологически релевантную, нагружаемую 3D-систему для количественной оценки поведения клеток и реакций матрикса.
- Обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость при разработке многоклеточных анализов для исследования сухожилий.
- Поддерживает скрининг соединений или биопрепаратов, воздействующих на определенные популяции клеток или сигнальные пути.
- Позволяет масштабировать подготовку эксплантатов и гидрогелей, облегчая последующую интеграцию в аналитические системы.
Трансляционные и доклинические исследования
- Моделирует значимые для заболевания многоклеточные взаимодействия и динамику внеклеточного матрикса для обеспечения трансляционной преемственности.
- Содействует поиску биомаркеров, позволяя проводить транскриптомное и секретомное профилирование в определенных условиях.
- Поддерживает принятие обоснованных с учетом рисков решений о дальнейшем продвижении исследования, предоставляя прогностические данные о путях репарации и дегенерации.
- Преодолевает разрыв между механистическими исследованиями in vitro и валидацией in vivo в биологии сухожилий.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данная система ассемблоидов интегрируется в континуум от фундаментальных открытий до доклинических исследований, обеспечивая возможность проведения ранних механистических исследований, разработки анализов и трансляционного моделирования заболеваний и восстановления сухожилий.
- Фундаментальная биология: способствует проверке гипотез о рекрутировании клеток, их взаимодействии и ремоделировании матрикса в моделях повреждения сухожилий.
- Скрининг: предоставляет воспроизводимую количественную платформу для оценки клеточных и матриксных реакций на исследуемые методы воздействия.
- Аналитика: поддерживает транскриптомные, секретомные и основанные на визуализации методы считывания данных для сравнительного анализа экспериментальных условий.
- Трансляционные исследования: позволяют сопоставить результаты in vitro с механизмами восстановления in vivo и профилями биомаркеров.
- Корпоративное использование: предлагает модульную масштабируемую систему, адаптируемую к различным программам по исследованию сухожилий и поиску терапевтических средств.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при валидации мишеней в тканях сухожилий.
- Операционная ценность: Стандартизирует многоклеточные 3D-анализы с использованием масштабируемых методов подготовки эксплантатов и гидрогелей.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о продолжении или прекращении разработок (go/no-go) и повышает эффективность использования капитала за счет надежного снижения рисков на ранних этапах.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритезацию с учетом рисков и продвижение терапевтических программ, направленных на лечение сухожилий.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области тканевой инженерии, выделения первичных клеток и систем 3D-культивирования.
- Необходим доступ к инфраструктуре для конфокальной микроскопии, транскриптомного и секретомного анализа.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов подготовки эксплантатов и приготовления гидрогелей.
- Метод адаптируем к различным клеточным популяциям и стимулам микроокружения для индивидуальной настройки модели.
- Ограничения связаны с необходимостью использования тканей мышей и специального режима обработки для обеспечения жизнеспособности при длительном культивировании.
