美研究團隊開發出自動化系統,能大幅加速「類器官」培養

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 24 日 15:51 | 分類 生物科技 , 自動化 , 醫療科技 follow us in feedly

華盛頓大學醫學院(UW Medicine)的研究人員開發了一種使用機器人的自動化系統,可以將幹細胞培養成類器官(organoids)的過程自動化,這項進步有望大幅擴展類器官在基礎研究和藥物研發上的應用,主導研究的 Benjamin Freedman 表示,「這將是我們對抗疾病的新型祕密武器」。



過去生物相關研究所培養的細胞,經常是在培養皿中進行二維培養(2D cell culture),儘管培養方式較為簡易、成本也較低,但與人體內的三維生長環境相比仍舊較為單一,為了能夠進行更全面的實驗,近年來研究人員已逐漸開始將幹細胞培養成更複雜的三維結構,而這種與人體器官類似、卻更為迷你的組織便被稱為「類器官」(organoids)。

由於類器官與基本器官在許多方面都表現相似,自然成為相關生醫研究的理想選擇,但過去因為培養的困難性,在大規模生產上總是面臨挑戰,未來透過自動化的協助,生產速度與成本將有望大幅改善。

在這次的研究中,團隊先是運用液體處理機器人分別將幹細胞放入 384 孔的細胞培養盤中,接著在 21 天內將它們誘導成為腎臟類器官,每個小微孔中產生至少十個以上的類器官,這讓每個培養盤中可用於研究的類器官數量上升到數千個。

通常建立這麼大規模的實驗需要花費研究人員一整天,但在機器人的協助下,大約只需 20 分鐘便可完成。「最重要的是,機器人不會感到疲倦、犯錯,毫無疑問,對於像這樣重複而乏味的任務來說,機器人比人類做得更好。」

除了用來建立實驗室,研究人員還進一步訓練機器人運用單細胞 RNA 測序(scRNA-Seq)來辨識、篩選產生的類器官,Freedman 認為,這個系統讓人們能夠更好的了解這些器官的性質,並提供一個可以改善的基準,如今研究人員可以隨時運用各種方式改變步驟,並迅速察覺到哪些變化產生了更好的結果。

團隊也利用了這項新技術來尋找可能影響疾病的藥物。在其中一項實驗中,他們製造出了因為突變導致多囊性腎臟病(PKD)的類器官,並將 PKD 類器官暴露於許多物質中,結果發現一種叫做 Blebbistatin 的肌球蛋白抑制劑會導致 PKD 類器官的囊腫數量與大小顯著增加。

Freedman 表示,這是非常出乎人意料的研究發現,因為肌球蛋白與 PKD 並未有任何已知的相關性。由於肌球蛋白是一種會在肌肉收縮作用相關的蛋白質,這讓 Freedman 推測,或許肌球蛋白也與腎小管的膨脹與收縮控制相關,如果肌球蛋白功能被阻斷,或可能導致 PKD 患者腎臟出現囊腫。「這絕對是我們必須關注的一個方向」。

儘管其他研究團隊已經利用類似的系統在成體幹細胞方面取得了成功,但這是首次成功運用自動化系統從多功能幹細胞(Pluripotent stem cell)中製造出類器官,由於多功能幹細胞可以成為任何類型的器官,不僅僅是團隊關注的腎臟疾病,未來各種類器官的大規模培育都有望進行。

這項研究已經在知名《細胞》期刊旗下幹細胞領域專業的《Cell Stem Cell》期刊中發表。

(首圖來源:UW Medicine