機器人從人類干細胞中培養出小器官

使用機器人的自動化系統被設計用于快速生產源自干細胞的人體微型器官。西雅圖華盛頓大學醫學院的研究人員開發了新系統。

研究工作的負責人，在威斯康星大學醫學院腎臟病學系助理教授本杰明弗里德曼(Benjamin Freedman)表示，這一進展有望大大擴展小型器官在基礎研究和藥物研發中的應用。

“這是我們抗擊疾病的新'秘密武器'，”威斯特曼說，他是威斯康星大學干細胞和再生醫學研究所的科學家，以及西北腎臟中心合作的腎臟研究所。和UW Medicine。

一份描述這項新技術的報告將于5月17日在線發表在Cell Stem Cell雜志上。主要作者是來自Freedman實驗室的研究科學家Stefan Czerniecki和Nelly Cruz，以及密歇根大學醫學院腎臟病學內科醫學助理教授Jennifer Harder博士，她是腎病專家。

弗里曼解釋說，傳統的生物醫學研究細胞培養方法是將它們培養成平面的二維片材，這些片材過于簡單化。近年來，研究人員越來越成功地將干細胞培養成更復雜的三維結構，稱為小器官或類器官。這些類似于基本器官，并且在許多方面表現相似。雖然這些特性使得類器官成為生物醫學研究的理想選擇，但它們也對大規模生產構成了挑戰。據開發人員稱，大規模生產類器官的能力是新機器人技術最激動人心的潛在應用。

在這項新研究中，研究人員使用機器人系統自動化將干細胞培養成類器官的過程。雖然類似的方法已成功用于成體干細胞，但這是成功自動化從多能干細胞制造類器官的第一份報告。該細胞類型是通用的并且能夠成為任何類型的器官。

在這個過程中，液體處理機器人將干細胞引入到每個含有多達384個微型孔的板中，然后誘導它們在21天內變成腎臟類器官。每個小微孔通常含有十個或更多個類器官，每個板含有數千個類器官。憑借亨利福特的汽車裝配線給人留下深刻印象的速度，機器人可以在很短的時間內生產出許多印版。

“通常情況下，只需設置一個如此規模的實驗就可以讓研究人員整天服用，而機器人可以在20分鐘內完成，”弗里德曼說。

“最重要的是，機器人不會感到疲倦并犯錯誤，”他補充道。“毫無疑問。對于像這樣重復，乏味的任務，機器人比人類做得更好。”

研究人員進一步訓練機器人處理和分析它們產生的類器官。Harder和她在密歇根大學腎臟中心的同事使用一種稱為單細胞RNA測序的自動化尖端技術來識別類器官中發現的所有不同類型的細胞。

“我們確定這些類器官確實類似于發育中的腎臟，但它們還含有以前未在這些培養物中表征過的非腎細胞，”哈德說。

“這些研究結果讓我們更好地了解了這些類器官的性質，并為我們提供了改進的基線，”弗里德曼說。“這個高吞吐量平臺的價值在于，我們現在可以通過多種方式改變我們的程序，并快速了解哪些變化可以產生更好的結果。”

為了證明這一點，研究人員發現了一種方法，可以大大擴展其類器官中的血管細胞數量，使它們更像真正的腎臟。

研究人員還利用他們的新技術尋找可能影響疾病的藥物。在這些實驗中的一個實驗中，他們產生了具有導致多囊腎病的突變的類器官，這是一種常見的遺傳性疾病，影響全世界600人中的一人，并且經常導致腎衰竭。

在這種疾病中，腎臟和其他器官中的微小管子像氣球一樣膨脹，形成膨脹的囊腫，擠出健康的組織。

在他們的實驗中，研究人員將多囊腎病類器官暴露于許多物質中。他們發現，一種叫做布雷他汀的因子阻斷了一種叫做肌球蛋白的蛋白質，導致囊腫的數量和大小顯著增加。

“這是意料之外的，因為不知道肌球蛋白參與PKD，”弗里德曼說。肌球蛋白以其在肌肉收縮中的作用而聞名，可能使腎小管擴張和收縮。Freedman解釋說，如果它不能正常運作，可能會導致囊腫。

“這絕對是我們將要關注的途徑，”他說。