Die Welt ist keine Scheibe: Zellen und Gewebe dreidimensional erforschen

Die Welt ist keine Scheibe: Zellen und Gewebe dreidimensional erforschen
Die Welt ist keine Scheibe: Zellen und Gewebe dreidimensional erforschen
Anonim

Die Zellen und Gewebe in unserem Körper wachsen, entwickeln und interagieren in einer hochkomplexen, dreidimensionalen Welt. Ebenso interagieren die verschiedenen mikrobiellen Krankheitserreger, die in unseren Körper eindringen und Infektionskrankheiten verursachen, mit diesem komplexen 3-D-Gewebemilieu. Die Methoden zur Kultivierung und Untersuchung menschlicher Zellen wurden jedoch traditionell zweidimensional auf flachen, undurchlässigen Oberflächen durchgeführt. Während solche 2-D-Kultivierungs- und Modellierungsbemühungen einen stetigen Strom kritischer Einblicke in das Zellverh alten und die Mechanismen von Infektionen und Krankheiten hervorgebracht haben, haben 2-D-Zellkulturen entscheidende Einschränkungen in Bezug auf die genaue Reproduktion der Gewebeumgebung in vivo, d.h. die Umgebung innerhalb eines lebenden Organismus.

In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Reviews Microbiology stellen die Forscherin Cheryl Nickerson und ihr Team vom Biodesign Institute der Arizona State University einen innovativen Ansatz zur Untersuchung von Zellen in 3-D vor. Sie untersuchen das Potenzial einer solchen Forschung, um das wissenschaftliche Verständnis des Ausbruchs und Fortschreitens von Krankheiten, insbesondere der Reaktionen von Wirtszellen auf infektiöse Krankheitserreger, erheblich zu erweitern. Solche Arbeiten liefern neue Einblicke in die Mechanismen von Infektionskrankheiten und bergen das Potenzial für die Entwicklung neuartiger oder verbesserter Therapeutika, ein genaueres Arzneimittelscreening und eine verbesserte Bewertung potenzieller Impfstoffkandidaten.

Trotz enormer Fortschritte beim Verständnis, wie infektiöse Krankheitserreger dem Immunsystem erfolgreich entkommen und Krankheiten verursachen, und der erfolgreichen Behandlung oder Ausrottung einiger dieser tödlichen Krankheiten; Infektionskrankheiten bleiben eine enorme gesundheitliche und wirtschaftliche Belastung, insbesondere in den Entwicklungsländern. Sie verursachen weiterhin rund 35 Prozent aller Todesfälle weltweit und töten jährlich etwa 14 bis 17 Millionen Menschen.Viele dieser Todesfälle könnten durch die Entwicklung von In-vitro-Modellen menschlicher Zellen und Gewebe verhindert werden, die In-vivo-Umgebungen besser nachahmen.

Vor dem Aufkommen von 3-D-Kultivierungsmethoden wurden menschliche Zellen, die für die Forschung verwendet wurden, typischerweise auf flachen Oberflächen gezüchtet (häufig aus behandeltem Polystyrol oder Glas), was zum Wachstum von 2-D-Zellschichten führte, die als Monoschichten bekannt sind. Die Isolierung von Zellen aus ihrer 3D-Architektur und ihrer nativen Mikroumgebung hat jedoch ihren Preis. Jennifer Barrila, eine der Hauptautorinnen dieser Übersicht, erklärt: „Wir wissen, dass, wenn Sie eine Biopsie von einem Gewebe nehmen, es homogenisieren und auf einer flachen Oberfläche auslegen und seinem Wachstum folgen, es sofort entdifferenzieren und beginnen wird Viele der Eigenschaften und Funktionen, die es normalerweise im Körper hat, verliert es, weil es nicht mehr in dieser charakteristischen 3-D-Form vorliegt."

Es gibt jetzt eine Reihe innovativer Techniken, um 3-D-Zellkulturmodelle zu erstellen, die besser in der Lage sind, die In-vivo-Eigenschaften von Zellen und Geweben im Körper nachzuahmen.Die aktuelle Überprüfung konzentriert sich auf die Verwendung einer solchen vielversprechenden Technologie, die ursprünglich von NASA-Ingenieuren entwickelt wurde, um Aspekte der Mikrogravitationsumgebung zu simulieren, denen Zellen ausgesetzt sind, die während des Weltraumflugs kultiviert wurden.

Diese Technologie, bekannt als Bioreaktor mit rotierenden Wandgefäßen oder RWV, ist ein zylindrischer, rotierender Apparat, der mit einem Kulturmedium gefüllt ist, das die Zellen mit essentiellen Nährstoffen versorgt. Die natürliche Sedimentation der Zellen aufgrund der Schwerkraft wird durch die Rotation des Bioreaktors ausgeglichen, was zu einem sanften Fallen der Zellen in das Medium in der Kammer führt. Während der Kultivierung werden die Zellen an porösen Mikroträgerperlen (oder anderen Gerüsten) befestigt, was zelluläre Reaktionen auf chemische und molekulare Gradienten in drei Dimensionen in einer Weise ermöglicht, die die Bedingungen, denen Gewebe in vivo ausgesetzt sind, genau nachahmt. Unter diesen Bedingungen aggregieren die Zellen zu 3D-gewebeähnlichen Strukturen.

Die Zellkulturumgebung innerhalb des RWV-Bioreaktors ist auch darauf ausgelegt, natürliche, physiologisch relevante Bedingungen geringer Flüssigkeitsscherung im Körper nachzubilden.Flüssigkeitsscherung ist die mechanische Kraft, die durch die Bewegung von Flüssigkeiten über Zelloberflächen ausgeübt wird, und es wurde festgestellt, dass sie eine wichtige Rolle bei der Zelldifferenzierung, -entwicklung und -funktion spielt. Interessanterweise haben von Nickerson und ihrem Team durchgeführte experimentelle Forschungen Umgebungen mit geringer Flüssigkeitsscherung bei der Regulierung des Infektionskrankheitspotentials bestimmter menschlicher Krankheitserreger impliziert. Insbesondere Bedingungen, denen Krankheitserreger in bestimmten Bereichen des Gastrointestin altrakts, der Atemwege und des Urogenit altrakts begegnen, stellen Umgebungen mit geringer Flüssigkeitsscherung dar, die das Potenzial haben, den Ausgang des Infektionskrankheitsprozesses zu verändern.

In den letzten zehn Jahren haben die Nickerson-Gruppe und Kollegen ihre 3-D-Modelle des Dünn- und Dickdarms, der Lunge, der Plazenta, des neuronalen Gewebes und des Vaginalepithels veröffentlicht. Solche Modelle bieten aufregende neue Einblicke in die Zellproliferation, Differenzierung und Immunfunktion und bieten eine Plattform, um die Homöostase von normalem Gewebe und den Übergang zu Krankheiten zu verstehen.Darüber hinaus haben diese 3-D-Modelle auch neue Möglichkeiten aufgezeigt, wie Krankheitserreger Krankheiten verursachen, und das Spektrum der Krankheitserreger erweitert, die in vitro untersucht werden können. 3D-Modelle, die für diese Forschungsrichtung unerlässlich sind, reagieren auf eine Infektion auf wichtige Weise, die den infizierten Wirt nachahmen.

Diese Studien umfassen die Infektion von 3-D-Darmgeweben durch lebensmittelbedingte bakterielle und virale Krankheitserreger, einschließlich Salmonella typhimurium bzw. Norovirus, und die Infektion von 3-D-Lungengeweben durch den bakteriellen Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa. Nickerson betont, dass die 3-D-Gewebemodellierung die Tür zur Untersuchung einer Vielzahl von Wirt-Pathogen-Wechselwirkungen geöffnet hat, die zuvor mit herkömmlichen Mitteln nur schwer oder gar nicht untersucht werden konnten.

Nickerson sieht auch eine vielversprechende Zukunft für 3-D-Zellkulturen darin, die Übertragung der Grundlagenforschung in die klinische Umgebung zu erleichtern. Sie betont, dass die Entwicklung und Verwendung einer Reihe von immer komplexeren 3-D-Modellsystemen, die mehrere Zelltypen beinh alten, die Untersuchung eines breiten Spektrums menschlicher Krankheiten ermöglichen wird, einschließlich solcher, die durch Infektionen und genetische Störungen wie Krebs verursacht werden.Darüber hinaus kann die Einbeziehung dieser Modelle als Ersatz für menschliches Gewebe in den frühen Stadien des Arzneimitteldesignprozesses möglicherweise dazu beitragen, die Anzahl unangemessener Arzneimittelkandidaten zu verringern, die in klinische Studien eingehen, indem In-vitro-Modelle bereitgestellt werden, die die In-vivo-Reaktionen besser vorhersagen, wodurch Zeit und Kosten für die Markteinführung eines Therapeutikums reduziert werden.

Die Forschung für die Überprüfung der Gruppe wurde von den leitenden Co-Autoren Jennifer Barrila und Andrea Radtke zusammen mit Shameema Sarker und Aurélie Crabbe von der Nickerson-Gruppe, Melissa M. Herbst-Kralovetz vom Biodesign Institute und C Mark Ott im NASA Johnson Space Center.

Zusätzlich zu ihrer Position am Zentrum für Infektionskrankheiten und Vakzinologie des Biodesign Institute ist Cheryl Nickerson außerordentliche Professorin für Biowissenschaften an der School of Life Sciences der Arizona State University.

Beliebtes Thema