Pesquisadores desenvolvem um dispositivo otimizado para cultivar mini-órgãos em um prato

Quando se trata de corpos humanos, não existe algo típico. A variação é a regra. Nos últimos anos, as ciências biológicas aumentaram seu foco em explorar a pungente falta de normas entre os indivíduos, e os pesquisadores médicos e farmacêuticos estão fazendo perguntas sobre a tradução de insights sobre variação biológica em cuidados mais precisos e compassivos.

E se as terapias pudessem ser adaptadas a cada paciente? O que aconteceria se pudéssemos prever a resposta de um corpo individual a uma droga antes do tratamento de tentativa e erro? É possível entender como a doença de uma pessoa começa e se desenvolve para que possamos saber exatamente como curá-la?

Dan Huh, professor associado do Departamento de Bioengenharia da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia, busca respostas para essas perguntas replicando sistemas biológicos fora do corpo. Essas cópias externas de sistemas internos prometem aumentar a eficácia dos medicamentos, ao mesmo tempo em que fornecem novos níveis de conhecimento sobre a saúde do paciente.

Um inovador de organ-on-a-tecnologia de chipou cópias em miniatura de sistemas corporais armazenados em dispositivos de plástico não maiores que um pen drive, Huh ampliou sua atenção para a engenharia de mini-órgãos em um prato usando as células do próprio paciente.

Um estudo recente publicado na Métodos da Natureza dirigido por Huh apresenta OCTOPUS, um dispositivo que nutre órgãos em um prato para níveis incomparáveis ​​de maturidade. Os líderes do estudo incluem Estelle Park, estudante de doutorado em Bioengenharia; Tatiana Karakasheva, Diretora Associada do Programa de Modelagem do Epitélio Gastrointestinal do Hospital Infantil da Filadélfia (CHOP); e Kathryn Hamilton, professora assistente de pediatria na Escola de Medicina Perelman da Penn e co-diretora do Programa de Modelagem Epitelial Gastrointestinal do CHOP.

No estudo, a equipe usou o OCTOPUS (Plataforma de organogênese tridimensional baseada em cultura de organoides com fornecimento irrestrito de sinais solúveis) para aprender mais sobre os desafios únicos enfrentados por crianças que sofrem de doença inflamatória intestinal (DII).

“O objetivo desta pesquisa”, diz Park, “é criar dispositivos que proporcionem às células um ambiente o mais próximo possível do corpo humano. cópia para aprender. Em um mundo onde mais de 90% dos estudos pré-clínicos em animais falham antes dos testes em seres humanos, e a ética de ambos é complexa, OCTOPUS será uma adição inestimável à prática laboratorial atual.”

Desenvolvidos pela primeira vez em 2009, esses órgãos-em-um-prato, conhecidos como “organoides”, abriram portas para grandes melhorias em pesquisa médica e cuidado do paciente.

Para produzi-los, os cientistas coletam dados específicos de órgãos células-tronco e introduzi-los em uma gota de gel tridimensional. Alimentadas por uma dieta química cuidadosamente desenvolvida, as células-tronco se organizam espontaneamente em um órgão imaturo.

Em comparação com as simples culturas de células bidimensionais que formam a espinha dorsal dos testes de laboratório, os organoides contêm um tesouro de informações. Os órgãos são feitos de uma variedade de tipos de células, e essas células são mais do que a soma de seus materiais biológicos. Eles se desenvolvem e funcionam em comunicação uns com os outros.

Os organoides, ao contrário das culturas de células tradicionais, permitem que essas relações se desenvolvam. Eles fornecem ferramentas poderosas para estudar como os órgãos se desenvolvem e realizam suas funções especializadas.

Gerando uma riqueza de dados de difícil acesso sobre corpos humanos, os organoides reproduzem aspectos saudáveis ​​e anormais dos órgãos de pacientes individuais. Quanto mais maduro o organoidemais se aproximam da verdadeira complexidade do órgão.

Com o OCTOPUS, a equipe de Huh avançou significativamente as fronteiras da pesquisa de organoides, fornecendo uma plataforma superior às gotículas de gel convencionais.

O OCTOPUS divide o material de cultura de hidrogel macio em uma geometria com tentáculos. As câmaras de cultura finas e radiais ficam em um disco circular do tamanho de uma moeda americana, permitindo que os organoides avancem para um grau de maturidade sem precedentes.

“A maturidade limitada do tecido é um problema significativo na pesquisa de organoides e células-tronco”, diz Huh. “Os esforços para resolver o problema se concentraram principalmente na bioquímica, desenvolvendo melhores formulações de mídia que ajudam as células-tronco a se diferenciarem em tecidos mais maduros. Como engenheiros, abordamos esse problema de uma perspectiva diferente, prestando mais atenção aos aspectos físicos de como os organoides crescem. Redesenhando a geometria tridimensional do andaime de hidrogel, fomos capazes de projetar o ambiente bioquímico dos modelos de cultura convencionais. O OCTOPUS melhora o transporte de nutrientes, oxigênio e fatores de crescimento sem reformular a bioquímica da mídia.”

O documento também apresenta uma versão aprimorada da plataforma, chamada OCTOPUS-EVO, que leva a maturidade para o próximo nível. Transformando a inserção em um dispositivo compartimentado com controle preciso de seu ambiente fluido, a equipe de Huh usou uma variedade de tipos de células de órgãos para criar organoides tão avançados que desenvolveram vasos sanguíneos funcionais.

“A beleza da nossa tecnologia”, diz Huh, “é o seu minimalismo. Projetamos o dispositivo tendo a usabilidade em primeiro lugar em nossas mentes. Um inserto simples, o OCTOPUS pode ser facilmente incorporado às técnicas de laboratório existentes. causar um impacto imediato.”

Hamilton, cujo laboratório atualmente usa o OCTOPUS para cultivar organoides para estudar doenças intestinais infantis, descreve os dispositivos como transformadores.

“Quanto melhor os pesquisadores médicos puderem reproduzir fielmente a maneira como o órgão age no corpo, melhor eles poderão prever a resposta do paciente”, diz Hamilton. “Esta tecnologia é exatamente o que precisamos para rastrear drogas, testar terapias, descrever comportamentos saudáveis ​​e localizar disfunções. Estamos aprendendo coisas novas todos os dias.”