微型器官在培养皿中生长的优化装置研制

说到人体，没有所谓的“典型”。变化是规则。近年来，生物科学越来越关注于探索个体之间缺乏规范的痛苦，医学和药学研究人员也在提出问题，如何将有关生物变异的见解转化为更精确和更富有同情心的护理。

如果治疗方法可以为每个病人量身定制呢?如果我们能在试错治疗之前预测个体身体对药物的反应，会发生什么?有没有可能了解一个人的疾病开始和发展的方式，这样我们就可以确切地知道如何治愈它?

丹啊，副教授生物工程系宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的一名研究人员正在寻找这些问题的答案通过在体外复制生物系统．这些内部系统的外部副本有望提高药物疗效，同时提供对患者健康的新水平的知识。

的创新者organ-on-a-chip技术他将注意力扩大到利用病人自己的细胞在培养皿中构建微型器官。

最近的一项研究发表在自然方法由Huh领导的公司推出了一种名为OCTOPUS的设备，可以将培养皿中的器官培育到无与伦比的成熟水平。这项研究的领导者包括埃斯特尔公园，生物工程博士生，塔蒂阿娜Karakasheva胃肠上皮细胞建模项目副主任费城儿童医院(切)凯瑟琳•汉密尔顿宾夕法尼亚大学儿科助理教授佩雷尔曼医学院CHOP胃肠上皮建模项目的联合主任。

在这项研究中，研究小组使用了OCTOPUS (OrganoidCulture-basedThree-dimensionalOrganogenesisP地台与Unrestricted年代提供可溶性信号)，以了解更多患有炎症性肠病(IBD)的儿童所面临的独特挑战。

“这项研究的目的，”Park说，“是创造一种设备，使细胞的环境尽可能接近人体。我们希望他们在菜肴中的发展与他们来源的发展相匹配，这样我们就有了一个真正的副本来学习。在这个世界上，90%以上的临床前动物研究在进行人体试验之前都失败了，而且两者的伦理都很复杂，OCTOPUS将是当前实验室实践的宝贵补充。”

这些被称为“类器官”的“培养皿中的器官”于2009年首次开发出来，为医学研究和患者护理的重大改进打开了大门。

为了制造它们，科学家们收集器官特异性干细胞，并将它们引入三维凝胶液滴中。在精心开发的化学饮食的滋养下，干细胞自发地组织成一个未成熟的器官。

与构成实验室测试支柱的简单二维细胞培养相比，类器官拥有大量信息。器官是由各种各样的细胞组成的，这些细胞不仅仅是它们生物材料的总和。它们在相互交流中发展和发挥作用。

与传统的细胞培养不同，类器官允许这些关系的发展。它们为研究器官如何发育和执行其特殊功能提供了有力的工具。

类器官产生了大量难以获取的人体数据，再现了个体患者器官的健康和异常方面。类器官越成熟，它们就越接近器官的真正复杂性。

通过OCTOPUS, Huh的团队极大地推进了类器官研究的前沿，提供了一个优于传统凝胶液滴的平台。

OCTOPUS将软水凝胶培养材料分成触手几何形状。薄的放射状培养室位于一个美国硬币大小的圆形圆盘上，允许类器官发展到前所未有的成熟程度。

“在类器官和干细胞研究中，有限的组织成熟度是一个重大问题，”Huh说。

解决这个问题的努力主要集中在生物化学上，通过开发更好的培养基配方，帮助干细胞分化成更成熟的组织。作为工程师，我们从不同的角度来解决这个问题，更多地关注类器官如何生长的物理方面。重新设计水凝胶支架的三维几何结构，我们能够设计常规培养模型的生化环境。OCTOPUS改善了营养物质、氧气和生长因子的运输，而不需要重新调整介质生物化学。”

本文还介绍了平台的增强版本，称为OCTOPUS-EVO，它将成熟度提升到一个新的水平。Huh的团队通过精确控制其流体环境，将插入物转变为隔室设备，使用各种器官细胞类型创造出如此先进的类器官，以至于形成了功能性血管。

“我们的技术之美，”Huh说，“在于极简主义。我们在设计这款设备时首先考虑了可用性。一个简单的插入，章鱼可以毫不费力地纳入现有的实验室技术。这项技术易于采用，并能立即产生影响。”

汉密尔顿的实验室目前使用OCTOPUS培育类器官来研究儿童肠道疾病，他认为这种设备具有变革性。

“医学研究人员越能准确再现器官在体内的运作方式，就越能预测病人的反应，”汉密尔顿说。“这项技术正是我们筛选药物、测试疗法、描述健康行为和定位功能障碍所需要的。我们每天都在学习新东西。”

参考:朴世祥，姜松，白杰，等。在培养皿中增强器官发生的类器官培养的几何工程。Nat方法．2022; 19(11): 1449 - 1460。doi:10.1038 / s41592 - 022 - 01643 - 8

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