Nieuwe moleculaire engineeringtechniek maakt complexe organoïden mogelijk

Een nieuwe moleculaire engineeringtechniek kan de ontwikkeling van organoïden nauwkeurig beïnvloeden. Microbeads gemaakt van specifiek gevouwen DNA worden gebruikt om groeifactoren of andere signaalmoleculen vrij te geven in de weefselstructuren. Dit leidt tot aanzienlijk complexere organoïden die de betreffende weefsels veel beter imiteren en een realistischer celmengsel hebben dan voorheen.

De techniek is ontwikkeld door een interdisciplinair onderzoeksteam van het Cluster of Excellence “3D Matter Made to Order”, bestaande uit onderzoekers van het Centrum voor Organismologie en het Centrum voor Moleculaire Biologie van de Universiteit Heidelberg, het BioQuant Center van de universiteit en het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek in Heidelberg.

Het onderzoek was gepubliceerd in het dagboek Natuur Nanotechnologie.

Organoïden zijn miniatuur, orgaanachtige weefselstructuren die afkomstig zijn van stamcellen. Ze worden gebruikt in fundamenteel onderzoek om nieuwe inzichten te verkrijgen in de menselijke ontwikkeling of om de ontwikkeling van ziekten te bestuderen.

“Tot nu toe was het niet mogelijk om de groei van zulke weefselstructuren vanuit hun binnenste te controleren”, aldus Dr. Cassian Afting, een medisch wetenschapper bij het Center for Organismal Studies (COS).

“Met behulp van de nieuwe techniek kunnen we nu precies bepalen wanneer en waar in het groeiende weefsel belangrijke ontwikkelingssignalen worden vrijgegeven”, benadrukt Tobias Walther, biotechnoloog en promovendus bij het Centrum voor Moleculaire Biologie van de Universiteit Heidelberg (ZMBH) en het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek in Heidelberg.

Het interdisciplinaire onderzoeksteam van biologen, artsen, natuurkundigen en materiaalkundigen construeerde microscopisch kleine kralen DNA die kunnen worden “geladen” met eiwitten of andere moleculen. Deze microkralen worden in de organoïden geïnjecteerd en geven hun lading af wanneer ze worden blootgesteld aan UV-licht. Dit maakt het mogelijk om groeifactoren of andere signaalmoleculen op elk gewenst moment en elke locatie in het zich ontwikkelende weefsel vrij te geven.

De onderzoekers testten het proces op retinale organoïden van de Japanse rijstvis medaka door microbeads geladen met een Wnt-signaalmolecuul nauwkeurig in het weefsel te plaatsen. Voor het eerst waren ze in staat om retinale pigmentepitheelcellen, de buitenste laag van het netvlies, te induceren om zich te vormen naast neuraal retinaal weefsel. Voorheen zou het toevoegen van Wnt aan de kweekmedia pigmentcellen induceren, maar de ontwikkeling van het neurale netvlies onderdrukken.

“Dankzij de gelokaliseerde afgifte van signaalmoleculen konden we een realistischer mengsel van celtypen bereiken, waardoor de natuurlijke celsamenstelling van het vissenoog beter werd nagebootst dan met conventionele celculturen”, legt Prof. Dr. Kerstin Göpfrich uit, onderzoeker op het gebied van synthetische biologie aan de ZMBH en het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek.

Volgens de wetenschappers kunnen de DNA-microbeads flexibel worden aangepast om veel verschillende signaalmoleculen in verschillende soorten gekweekt weefsel te transporteren.

“Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van organoïden met een verbeterde cellulaire complexiteit en organisatie”, aldus Prof. Dr. Joachim Wittbrodt, die het onderzoek samen met Prof. Göpfrich leidde.

“Geavanceerdere organoïdemodellen zouden het onderzoek naar menselijke ontwikkeling en ziektes kunnen versnellen en mogelijk leiden tot beter organoïdegebaseerd medicijnonderzoek”, aldus de ontwikkelingsbioloog uit Heidelberg, wiens onderzoeksgroep is gevestigd bij het COS.

De nieuwe techniek voor het creëren van complexere organoïden werd ontwikkeld in het Cluster of Excellence “3D Matter Made to Order”, dat gezamenlijk wordt beheerd door de Universiteit van Heidelberg en het Karlsruhe Institute of Technology.