Новая технология молекулярной инженерии позволяет создавать сложные органоиды

Новая технология молекулярной инженерии может точно влиять на развитие органоидов. Микрошарики, изготовленные из особым образом свернутой ДНК, используются для высвобождения факторов роста или других сигнальных молекул внутри тканевых структур. Это приводит к появлению значительно более сложных органоидов, которые гораздо лучше имитируют соответствующие ткани и имеют более реалистичную клеточную смесь, чем раньше. 

Междисциплинарная исследовательская группа из кластера передового опыта «3D Matter Made to Order» с исследователями из Центра исследований организмов и Центра молекулярной биологии Гейдельбергского университета, университетского центра BioQuant, а также Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге разработала эту технологию. Статья с результатами исследования была опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Органоиды — это миниатюрные, похожие на органы тканевые структуры, полученные из стволовых клеток. Они используются в фундаментальных исследованиях для получения новых знаний о развитии человека или для изучения развития заболеваний. «До сих пор было невозможно контролировать рост таких тканевых структур изнутри», — утверждает доктор Кассиан Афтинг, ученый-врач Центра организменных исследований (COS). «Используя новую технику, мы теперь можем точно определить, когда и где в растущей ткани высвобождаются ключевые сигналы развития», — подчеркивает Тобиас Вальтер, биотехнолог и докторант Центра молекулярной биологии Гейдельбергского университета (ZMBH) и Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге.

Междисциплинарная исследовательская группа биологов, врачей, физиков и материаловедов сконструировала микроскопически малые бусины ДНК, которые могут быть «загружены» белками или другими молекулами. Эти микробусины вводятся в органоиды и высвобождают свой груз при воздействии УФ-излучения. Это позволяет высвобождать факторы роста или другие сигнальные молекулы в любое заданное время и в любом месте в развивающейся ткани.

Исследователи протестировали этот процесс на органоидах сетчатки японской рисовой рыбы medaka, точно вставляя в ткань микрошарики, нагруженные сигнальной молекулой Wnt. Впервые им удалось индуцировать образование ретинальных пигментных эпителиальных клеток — внешнего слоя сетчатки — рядом с нервной тканью сетчатки. Ранее добавление Wnt в культуральную среду индуцировало пигментные клетки, но подавляло развитие нервной сетчатки. «Благодаря локализованному высвобождению сигнальных молекул мы смогли добиться более реалистичного сочетания типов клеток, тем самым более точно имитируя естественный состав клеток глаза рыбы, чем при использовании обычных клеточных культур», — объясняет профессор, доктор Керстин Гёпфрих, исследователь в области синтетической биологии в ZMBH и Институте медицинских исследований Макса Планка.

По словам ученых, ДНК-микробусины можно гибко адаптировать для транспортировки множества различных сигнальных молекул в различных типах культивируемых тканей. «Это открывает новые возможности для разработки органоидов с улучшенной клеточной сложностью и организацией», — утверждает профессор, доктор Йоахим Виттбродт, который руководил исследовательской работой вместе с профессором Гепфрихом. «Более сложные модели органоидов могут ускорить исследования в области развития и болезней человека и потенциально привести к лучшим исследованиям лекарственных препаратов на основе органоидов», — утверждает биолог из Гейдельберга, чья исследовательская группа находится в COS.

Новая технология создания более сложных органоидов была разработана в кластере передового опыта «3D Matter Made to Order», который совместно управляется Гейдельбергским университетом и Технологическим институтом Карлсруэ. Исследовательская работа финансировалась Европейским исследовательским советом (ERC) в рамках стартового гранта ERC для Керстин Гёпфрих и Немецким исследовательским фондом.