Биоматериалы для регенеративной терапии на основе почечных органоидов

Открытие синтетических стволовых клеток, известных как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs), произвело революцию в регенеративной медицине. Эти клетки, созданные путем перепрограммирования взрослых клеток пациента (например, клеток кожи, крови или мочи) в плюрипотентное состояние, могут стать любой клеткой организма. При направленной дифференцировке из них можно вырастить миниатюрные версии органов — органоиды. В рамках докторского исследования Джонник ван Спрэнг разработал искусственную наносреду на основе супрамолекулярных материалов для контроля и улучшения созревания органоидов с помощью биомеханических сигналов.

Органоиды

При выращивании iPSCs в трёхмерной культуре со специфическими биологическими сигналами они развиваются в миниатюрные органы — органоиды. Органоиды, полученные из iPSCs, демонстрируют высокое сходство со взрослыми органами по микроструктуре и функции.

Почечные органоиды рассматриваются как альтернатива трансплантации донорской почки в рамках персонализированной регенеративной терапии. Однако процесс дифференцировки iPSCs в почечные органоиды всё ещё несовершенен. Необходимы новые стратегии, обеспечивающие дополнительные сигналы для контроля специализации клеток. Одним из способов является использование биоматериалов, которые могут предоставлять клеткам биомеханические сигналы, отсутствующие в стратегиях, полагающихся только на растворимые биохимические агенты.

Исследования показывают, что изменения механической среды сильно влияют на развитие почечных органоидов, улучшая функциональные структуры и уменьшая появление клеток нецелевых типов. Изменить механическую среду можно, перейдя от культуры на границе раздела воздух-жидкость к внедрению или инкапсуляции органоидов в гидрогелевый материал.

Искусственная наносреда

Целью исследования было создание искусственной наносреды на основе супрамолекулярных взаимодействий для контроля роста органоидов через биомеханические сигналы.

Супрамолекулярные материалы удерживаются нековалентными связями (водородные связи, гидрофобные и электростатические взаимодействия) с относительно низкой энергией. Это делает их более подверженными разрыву и восстановлению по сравнению с химическими связями, что приводит к созданию адаптируемого материала с динамическими свойствами.

В работе в искусственную наносреду, используемую для инкапсуляции почечных органоидов, были встроены молекулярные строительные блоки, содержащие супрамолекулярный фрагмент уреидо-пиримидинон (UPy). Молекулы UPy распознают друг друга и самоорганизуются в волокнистые суперструктуры, напоминающие фибриллярные компоненты натуральной ткани.

Настройка свойств

Комбинируя различные молекулы UPy, удалось настроить степень биохимической сложности, механические свойства искусственной наносреды и скорость перехода молекул из раствора в гель. Благодаря кодированию отсроченного перехода из состояния раствора в состояние геля, искусственная наносреда смогла проникнуть внутрь почечных органоидов в виде фибриллярных суперструктур, пока ещё находилась в жидком состоянии.

Это позволило среде вызывать биологический ответ не только на границе органоид-гель, но и доставлять биомеханические сигналы клеткам внутри органоида. В результате количество клубочков (функциональных структур почек, фильтрующих кровь) увеличилось в три раза.

Продемонстрировано, что можно настраивать специализацию клеток в почечных органоидах с помощью биоматериалов, которые предоставляют механические сигналы в дополнение к растворимым биохимическим агентам. Это открытие даёт новые возможности для большего контроля над специализацией и созреванием почечных органоидов, приближая их применение в клинике.