Шелкопряды помогают выращивать лучшие органоиды в лабораториях

Биоинженеры из Университета Дьюка разработали ультратонкую мембрану на основе шелка для использования в органах-на-чипе. Она лучше имитирует естественную среду клеток и тканей организма. При использовании в модели почки-на-чипе мембрана помогла тканям развить функциональность как здоровой, так и больной почки.

Новая мембрана позволяет клеткам расти ближе друг к другу, что даёт исследователям больший контроль над ростом и функцией ключевых клеток любого органа. Это позволяет точнее моделировать широкий спектр заболеваний и тестировать методы лечения.

Исследование опубликовано 5 июня в журнале Science Advances.

Органы-на-чипе (OOC), часто размером с USB-флешку, произвели революцию в изучении биологии человека. Однако в их дизайне есть проблемы, особенно с материалами для мембран, которые служат опорой для роста клеток.

Обычные полимерные мембраны не разлагаются и создают постоянный барьер толщиной 30–50 микрон. Внеклеточные мембраны в человеческих органах часто тоньше одного микрона. Такая толщина ограничивает коммуникацию и рост клеток.

Исследователи решили найти белковый материал, имитирующий структуру естественных мембран. Их выбор пал на фиброин шелка — белок, создаваемый шелкопрядами, который можно электроспрясть в мембрану. Под микроскопом он напоминает спагетти или картину Джексона Поллока.

Длинные переплетающиеся волокна создают пористый материал, лучше имитирующий внеклеточный матрикс человеческих органов. «Шелковый фиброин позволил нам уменьшить толщину мембраны с 50 микрон до 5 или меньше, что приближает нас на порядок величины к тому, что наблюдается в живом организме», — объяснил аспирант Сингруй Моу.

Для испытаний мембрану применили в чипе модели почки, имитирующем клубочковую капиллярную стенку — ключевую структуру для фильтрации крови. После добавления мембраны команда ввела в чип производные человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Клетки смогли посылать сигналы через ультратонкую мембрану, что помогло им дифференцироваться в клубочковые клетки, подоциты и сосудистые эндотелиальные клетки. Платформа также спровоцировала развитие эндотелиальных фенестраций — отверстий для прохождения жидкости между клеточными слоями.

В итоге различные типы почечных клеток собрались в клубочковую капиллярную стенку, способную эффективно фильтровать молекулы по размеру.

«Способность новой системы микрофлюидных чипов имитировать ткане-тканевые интерфейсы, подобные in vivo, и индуцировать образование специализированных клеток, таких как фенестрированный эндотелий и зрелые клубочковые подоциты из стволовых клеток, имеет значительный потенциал для углубления нашего понимания развития человеческих органов, прогрессирования заболеваний и разработки терапии», — сказала доцент Самира Муса.

Исследователи надеются использовать эту технологию для лучшего понимания механизмов болезни почек, которая поражает более 15% взрослых американцев. «Использование этой платформы для разработки моделей болезни почек может помочь нам открыть новые биомаркеры заболевания. Это также можно использовать для скрининга кандидатов в лекарства», — сказал Моу.

«Эта технология имеет значение для всех моделей органов-на-чипе. Наши ткани состоят из мембран и интерфейсов, поэтому можно представить использование этой мембраны для улучшения моделей других органов, таких как мозг, печень и лёгкие, или других патологических состояний. В этом и заключается сила нашей платформы», — заключила Муса.