Wywiad Zrozumieć „język elektryczny” organoidów

Wiele schorzeń, nie tylko jelitowych, ma swoje źródło właśnie w jelitach. Dlatego też lepsze zrozumienie ich funkcjonowania ma zasadnicze znaczenie. Wykorzystując nowoczesne techniki hodowli komórkowej, naukowcy próbują obecnie odtworzyć jelito w całej jego złożoności w naczyniu hodowlanym (in vivo). Obejmuje to również jego „zasilanie” oraz pomiar sygnałów tzw. komórek pobudliwych.

Słysząc termin „OriDarmi”, od razu przychodzi na myśl origami. Co ma wspólnego Pani projekt badawczy na Uniwersytecie w Kaiserslautern z japońską sztuką składania papieru?

Prof. dr Monika Saumer: W technice origami z płaskiego arkusza tworzy się filigranowy i złożony model 3D poprzez rozkładanie. Można w ten sposób uzyskać nieskończoną liczbę kształtów geometrycznych. W naszym projekcie OriDarmi postępujemy w podobny sposób: wytwarzamy systemy elektrod w formie płaskiej (na płytce półprzewodnikowej), a następnie składamy je w złożoną strukturę trójwymiarową, w której liczy się każda najmniejsza geometria strukturalna. Nasza struktura 3D zawiera ponad 60 elektrod ze złota, osadzonych w plastikowej ramie z poliimidu. Systemy elektrod zostały dostosowane do złożonych hodowli organoidów, czyli replik unerwionej błony śluzowej jelita „w probówce”, i umożliwiają rejestrację sygnałów elektrycznych, a tym samym wykonanie swego rodzaju EKG jelita. Należy pamiętać, że jelito zawiera wiele komórek nerwowych, które są niezbędne do jego funkcjonowania. Nasze systemy elektrod umożliwiają ocenę aktywności i stanu zdrowia komórek jelitowych, a także ich interakcji w obrębie zbiorowiska komórkowego.  Można tu np. rejestrować działanie leków, a nawet symulować określone obrazy kliniczne.

Do różnych zastosowań zrealizowaliśmy dotychczas dwie architektury 3D: spiralę, którą integrujemy z hodowlami komórkowymi, oraz koszyczek z czterema ramionami, który otacza organoidy. Nasze systemy 3D, w tym komórki jelitowe, mają jednak wielkość maksymalnie trzech milimetrów.

Znanych jest wiele schorzeń jelit oraz innych chorób, które mogą mieć związek z jelitami. Proszę podać kilka przykładów.

Oprócz chorób zapalnych jelit, takich jak choroba Leśniowskiego-Crohna czy wrzodziejące zapalenie jelita grubego, obecnie uważa się, że bariera jelitowa, na którą wpływają mikrobiom i dieta, może być również odpowiedzialna za powstawanie chorób metabolicznych, takich jak cukrzyca, lub chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona. Ponadto system ten można wykorzystać do badania wpływu czynników środowiskowych, mikrobiomu lub toksyn, które często są przyczyną chorób lub uszkodzeń narządów.

Dlaczego analiza funkcji ściany jelita u żywego organizmu wiąże się z trudnościami i jakie narzędzia opracowali Państwo, aby móc lepiej badać procesy fizjologiczne?

Aby zbadać mechanizmy powstawania choroby i jej leczenia, konieczne są ciągłe pomiary przeprowadzane przez dłuższy czas bezpośrednio na żywej tkance jelitowej. Najlepszym rozwiązaniem byłyby oczywiście badania ściany jelita bezpośrednio w organizmie człowieka, co byłoby technicznie możliwe przy dużym nakładzie pracy, ale z etycznego punktu widzenia nie do zrealizowania. Dlatego też korzystamy z pomiarów tkanki jelitowej w naczyniu hodowlanym. Wrażliwe komórki nabłonka jelitowego nie dają się jednak tak łatwo hodować i w klasycznych warunkach hodowli (w szalce Petriego) szybko tracą swoją funkcję.

W związku z tym, wykorzystując nowoczesne techniki hodowli komórkowej, odtwarzamy w naczyniu hodowlanym (in vivo) zarówno barierę jelitową, jak i ścianę jelita wraz ze wszystkimi jej składnikami, takimi jak komórki nabłonkowe, immunologiczne i nerwowe. Wykorzystujemy na przykład materiał z biopsji ludzkiej do hodowli trójwymiarowych kultur komórek jelitowych oraz organoidów.

Aby móc rejestrować sygnały komórkowe zarówno z wnętrza kultur komórkowych, jak i z całej powierzchni organoidów, elektrody muszą być umieszczone właśnie w tych miejscach. Dlatego projektujemy struktury 3D z biokompatybilnych tworzyw sztucznych, które stanowią materiał nośny dla elektrod i ich przewodów, a następnie osadzamy w nich przewodzące elektrody i przewody.

Jakie są największe wyzwania, z którymi muszą sobie poradzić, aby odnieść sukces?

Na początek stajemy przed dwoma wielkimi wyzwaniami: jednym biologicznym i jednym technicznym.
– Wyzwanie biologiczne: czy uda nam się wyhodować funkcjonalną tkankę jelitową w naczyniu hodowlanym?
– Wyzwanie techniczne: w jaki sposób zbudujemy struktury 3D o precyzyjnych, funkcjonalnych mikro- i nanostrukturach (projekt, metody produkcji, materiały, powierzchnie)?

Trzecim wyzwaniem jest interdyscyplinarność. Biologia i medycyna współdziałają z elektrotechniką i technologią mikrosystemów. Musimy rozwinąć zrozumienie dla „świata” drugiej dziedziny i bardzo ściśle ze sobą współpracować. Tylko w ten sposób możemy zapewnić, że tkanka pozostanie długo sprawna, a my będziemy w stanie rzeczywiście niezawodnie mierzyć sygnały o odpowiedniej jakości.

Oto kilka szczegółów, które należy wziąć pod uwagę: Opracowywane systemy elektrod muszą elastycznie otaczać organoid, nie niszcząc przy tym komórek. Aby jednocześnie i w sposób ciągły monitorować jakość bariery, konieczne jest zastosowanie metody TEER (trans-epithelial-electrical-resistance). W tym celu odpowiednie elektrody muszą być wprowadzane do wnętrza tkanki powoli i w sposób minimalnie inwazyjny. Dodatkowe elektrody kapilarne muszą umożliwiać podawanie pożywki i innych substancji do wnętrza organoidów.

Skuteczne wykrywanie sygnałów wymaga opracowania mikroelektrod, które dzięki swoim kształtom i właściwościom powierzchniowym zapewniają dobry kontakt z błoną komórkową, a nawet mogą wnikać do wnętrza komórek.

W jaki konkretny sposób zamierza się wykorzystać wyniki projektu OriDarmi?

Nasze prace badawcze umożliwią wiarygodne pozyskiwanie danych funkcjonalnych ze złożonych organoidów i tkanek. Udostępnimy naukowcom z dziedziny medycyny i biologii dwa narzędzia diagnostyczne, które będą mogły być wykorzystywane do badania mechanizmów powstawania chorób oraz terapii.

Podstawową zasadą naszego podejścia jest pomiar sygnałów pochodzących z tzw. komórek pobudliwych. Oprócz komórek nerwowych są to również komórki mięśniowe. Nasze systemy, opracowane do rejestracji sygnałów z komórek nerwowych jelit, mogą zatem w przyszłości znaleźć zastosowanie również w przypadku innych komórek pobudliwych. Oprócz innych komórek nerwowych ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego w grę wchodzą tu również komórki mięśnia sercowego lub komórki mięśni gładkich narządów pustych, takich jak jelita i pęcherz moczowy.

Zakładamy, że wyniki badań, np. długoterminowych badań nad substancjami czynnymi, będą miały wpływ na opracowywanie nowych metod terapeutycznych służących łagodzeniu lub leczeniu chorób.

Bardzo dziękuję za rozmowę, pani profesor Saumer.