С открытием синтетических стволовых клеток, более известных как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, регенеративная медицина произвела революцию. Эти синтетические стволовые клетки создаются путем перепрограммирования клеток взрослых пациентов, таких как клетки кожи человека, клетки крови или клетки мочи, в плюрипотентное состояние (в клетку, которая может быть клеткой любого типа клеток в организме человека). Когда они вынуждены быть одним типом клеток, эти клетки могут стать небольшими версиями органов, известных как органоиды. Джоник ван Спранг разработал искусственный метод наносред с использованием материалов следующего поколения, основанных на супрамолекулярных взаимодействиях, с целью контроля и улучшения созревания органоидов биомеханическими сигналами.
Органоиды.
Когда индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) растут в трехмерной культуре с использованием определенных биологических сигналов, они превращаются в миниатюрные органы, известные как органоиды. Эти органоиды, полученные из ИПСК, имеют большое сходство со взрослыми органами с точки зрения микроструктур и функций.
Органоиды, которые функционируют аналогично почечной ткани (т.е. почечные органоиды) рекомендуются в качестве альтернативы донорской трансплантации почки в виде персонализированной и регенеративной терапии. Тем не менее, процесс изучения ИПСК как почечных органоидов по-прежнему несовершенен и требует дальнейшего улучшения. Поэтому необходимы дополнительные стратегии, которые дают новые сигналы для того, чтобы ИПСК проверяли свой опыт. Один из способов добиться этого — использовать биоматериалы, которые могут доставлять биомеханические сигналы клеткам. Этого не хватает в стратегиях дифференциации клеток, основанных исключительно на растворимых биохимических агентах.
Все больше доказательств свидетельствует о том, что изменения в механической среде оказывают драматическое влияние на развитие почечных органоидов, что позволяет улучшить функциональные структуры и даже уменьшить появление нецелевых типов клеток. Изменение механической среды возможно путем перехода от культуры на воздушно-жидком интерфейсе к введению или инкапсуляции органоидов в гидрогелевый материал.
Искусственная нано-среда.
В рамках докторской диссертации Джоник ван Спранг стремился разработать искусственную нано-среду с использованием материалов следующего поколения, основанных на супрамолекулярных взаимодействиях, для контроля роста органоидов с помощью биомеханических сигналов.
Супрамолекулярные материалы удерживаются вместе нековалентными связями, которые представляют собой взаимодействия между относительно низкоэнергетическими молекулами, например, водородными связями, гидрофобными взаимодействиями и электростатическими взаимодействиями. Низкая энергия связей делает их более восприимчивыми к разрыву и заживлению по сравнению с химическими связями. В свою очередь, это приводит к адаптивному материалу с динамическими свойствами.
В своей работе ван Спранг разработал несколько молекулярных строительных блоков, содержащих супрамолекулярную часть урейдо-пиримидинона (УПи) в искусственные наноструктуры, используемые для инкапсуляции почечных органоидов. Эти УПИ-молекулы распознают друг друга и сами по себе превращаются в фиброзные сверхструктуры, похожие на фибриллярные компоненты естественной ткани.
Регулирование.
Объединив различные молекулы УПИ, ван Спранг смог определить степень биохимической сложности, механические свойства искусственного наслоения и скорость перехода молекул из раствора в гель. Кодируя отложенный переход от состояния раствора к гелевому состоянию, искусственная наносреда может проникать в почечные органоиды в виде фибриллярных надстроек, пока раствор все еще находится в воздушно-жидком состоянии.
Это позволило искусственной наноструктуре вызвать биологический ответ за пределами органоидно-гелевого состояния, а также передать биомеханические сигналы клеткам внутри органоида. Результатом стало трехкратное увеличение клубочков — функциональных структур почек, которые фильтруют кровь.
Это показало, что возможна коррекция клеточной экспертизы по почечным органоидам с помощью биоматериалов, которые обеспечивают механические сигналы, помимо растворимых биохимических агентов. Это открытие открывает новые возможности для дальнейшего контроля над специализацией и созреванием почечных органоидов, что может приблизить почечные органоиды к клиническому применению.