Menschliche Organoide modellieren die 3D-Mikroumgebung des Endometriums

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Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine 3D-Mikroumgebung des Endometriums geschaffen, indem sie eine gewebeinspirierte synthetische extrazelluläre Matrix (ECM) für menschliche Endometriumzellen entwickelt haben. Dieses Modell simuliert Schlüsselaspekte des menschlichen Menstruationszyklus und stellt eine synthetische Plattform für die Untersuchung der Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kommunikation in einer kontrollierten, langfristigen und einstellbaren Umgebung vor, die dabei hilft, die Mechanismen zu verstehen, die die Gesundheit und Krankheit des menschlichen Menstruationszyklus steuern.

Der Forschungsartikel „Organoid-Co-Kulturmodell des zyklischen menschlichen Endometriums in einer vollständig synthetischen extrazellulären Matrix ermöglicht die Untersuchung des epithelial-stromalen Crosstalks“ wurde in der Zeitschrift Cell Press Med veröffentlicht.

Im Endometrium treiben Sexualhormone ein schnelles Gewebewachstum und eine schnelle Gewebereifung voran, zusammen mit ebenso dynamischen Veränderungen der ECM-Interaktionen mit Zellen, die molekular und mechanisch mit der Fortpflanzungsfunktion verbunden sind. Dies ist ein erstaunliches Beispiel für regenerative Biologie in Aktion. Diese außergewöhnlichen regenerativen Eigenschaften spielen auch bei häufigen lähmenden Krankheiten wie Endometriose eine Rolle, für die dringend neue Behandlungsmethoden erforderlich sind.

Die Stroma- und Epithelzellpopulationen spielen eine wichtige Rolle bei der Vermittlung von Sexualhormonsignalen während des menschlichen Menstruationszyklus. Der Mangel an Modellen, die ihre Untersuchung ermöglichen, hat jedoch den Fortschritt auf diesem Gebiet behindert. In dieser Arbeit synthetisierten Forscher am MIT eine neuartige ECM, um parallele Untersuchungen von Stromazellen und endometrialen Epithelorganoiden zu ermöglichen.

Die beiden Hauptautoren Juan Gnecco, PhD, jetzt Assistenzprofessor in der Abteilung für Biomedizintechnik an der Tufts University, und Alexander Brown, PhD, analysierten dazu die Matrixzusammensetzung und die menstruationszyklusabhängige Endometrium-Integrin-Expression, um mögliche Zell-Matrix-Interaktionen zu finden Hinweise für den Einbau in ein auf Polyethylenglykol (PEG) basierendes Hydrogel, das mit Peptiden vernetzt ist, die gegenüber Matrix-Metalloproteinase labil sind. Anschließend suchten sie nach biophysikalischen und molekularen Eigenschaften des Endometriums, um herauszufinden, welche Arten von Mischungen für das hormongesteuerte Wachstum und die Differenzierung von Epithelorganoiden, Stromazellen und Co-Kulturen der beiden Zelltypen geeignet wären. Bei der Co-Einkapselung in Hydrogelen, die auf ein dem natürlichen Gewebe ähnliches Steifigkeitsregime abgestimmt und mit zwei Peptiden, einem von Kollagen abgeleiteten Adhäsionspeptid (GFOGER) und einem von Fibronektin abgeleiteten Peptid (PHSRN-K-RGD), funktionalisiert wurden, zeigte jeder Zelltyp charakteristische Eigenschaften morphologische und molekulare Reaktionen auf Hormonveränderungen.

Als Proof-of-Concept verwendeten sie dann dieses Modell, um zu zeigen, wie sich die hormonabhängigen Verhaltensweisen des Endometriumepithels in Co-Kultur mit Stroma von denen in Monokultur unterscheiden. Sie sahen zum Beispiel, dass der entzündungsfördernde Auslöser IL1B offenbar Endometrium-Kokulturen, nicht aber Monokulturen, in einen Zustand zu treiben scheint, der die Symptome von Krankheiten wie Endometriose nachahmt.

Dieses Modell ermöglicht die Untersuchung der molekularen und phänotypischen Auswirkungen des Endometrium-Epithel-Stroma-Crosstalks in Langzeitkulturen von von Patienten stammenden Endometriumzellen. Dies geschieht durch die Definition eines vollständig synthetischen ECM-Hydrogels, das Matrigel für die Organoidkultur ersetzen und gleichzeitig die Stromakultur unterstützen soll. Natürliche Matrizen wie Matrigel und Kollagen – die entweder einzeln für die Co-Kultur verwendet oder kreativ kombiniert wurden – enthalten viele fremde Signalmoleküle, die die von den Zellen, die sie unterstützen, erzeugten Signale übertönen können. Der Hauptbestandteil dieser synthetischen ECM, PEG, ist ein unbeschriebenes Blatt, das dafür bekannt ist, dass es relativ wenig mit Proteinen interagiert. Somit können GFs, Zytokine und andere von jedem Zelltyp produzierte Moleküle die Zell-Zell-Kommunikationsnetzwerke frei dominieren. Die synthetische ECM verfügt konstruktionsbedingt nur über eine geringe Anzahl biologischer Signale: zwei Integrinliganden, zwei ECM-bindende Proteine ​​und einen Peptidvernetzer.

Auch wenn dies nur der erste Schritt zur Beschreibung der synthetischen ECM ist, ist sie möglicherweise besser als ECM-freie Kokulturmodelle für die Nachahmung und Untersuchung bestimmter Aspekte von Endometriumerkrankungen.