Tilbake til søkeresultatene

BIOTEK2021-Bioteknologi for verdiskaping

DL: Emulating life in 3D with digital and experimental tissue models

Alternativ tittel: Digitale og eksperimentelle vevsmodeller for etterligning av liv i 3D

Tildelt: kr 19,7 mill.

Cellekulturer er viktige verktøy i medisinsk forskning. Når celler dyrkes utenfor kroppen dyrkes de i ett enkelt lag på hard plast. I mennesker og dyr derimot, inngår celler i sammensatte, myke og tredimensjonale strukturer. Celler som dyrkes opp i en kultur utvikler seg dermed forskjellig fra celler som finnes i kroppens vev og organer. Dette er et problem: Cellekulturer gjenspeiler i liten grad de forholdene som finnes i kroppen. Derfor gir dagens modeller et ufullstendig bilde når vi studerer biologien i celler og vev, hvordan sykdommer utvikler seg, eller tester hvordan ulike stoffer påvirker oss. Målet i 3DLife er å finne metoder for å lage cellekulturer som ligner på cellenes omgivelser i kroppen, i stedet for at celler kun dyrkes i enkeltlag. For å etterligne forholdene i kroppen trengs nye materialer og tredimensjonale rammeverk. Det må utvikles metoder med høy kapasitet for å vurdere cellenes genuttrykk, det vil si hvordan cellene responderer på disse nye cellekulturene. Analyser av genuttrykk produserer store mengder med rådata. For å kunne nyttiggjøre seg av all denne informasjonen og beregne hvordan celler responderer på materialene i kulturen trengs også datamodeller. Beregningene fra datamodellene kan brukes til å fastslå hvilke faktorer som er utslagsgivende for å dyrke celler i kultur, slik at vi kan imitere celler som finnes i kroppen og deres naturlige miljø. Forskningsresultatene til 3DLife skal bidra til å lage nye og relevante cellekulturer som etterligner vev og organer og som kan brukes i medisinsk forskning. I første del av prosjektet laget vi nye materialer med kontrollerbare mekaniske og biologiske egenskaper, og tilpasset materialer og metoder til håndtering av roboter for høykapasitetsanalyser. Vi har studert geler med atomkraftmikroskopi (AFM) som muliggjør detaljert karakterisering av overflatestrukturer, inkludert mekaniske egenskaper. Ulike celletyper har blitt dyrket i gelene, og materialer og metoder har blitt tilpasset for å gi høy grad av overlevelse for cellene. Fibroblaster, en viktig celletype for utviklingen av vev, responderer ulikt i de forskjellige materialene. Ved å dyrke cellene oppå materialene kan vi se at de fester seg på noen materialer. Når cellene er inne i gelene endrer cellenes morfologi seg med materialene og vi studerer genuttrykket som funksjon av interaksjon med materialene. Her kan vi se at uttrykket av ekstracellulær matrise proteiner endrer seg med materialene. Dette ser vi også når vi analyserer cellene, materialene og kulturmediet, som viser at cellene skiller ut disse proteinene. Vi evaluerer også genutrykket til fibroblaster fra ulike deler av kroppen i hydrogelene – fra hud, munnhule og lunge. Ved å sammenlikne våre data med eksisterende datasett på primære humane fibroblaster fra forskjellig vev så vil vi se om materialene påvirker cellenes fenotype. Vi utvikler nå hydrogelene videre ved å lage strukturer som er nødvendig for gjennomstrømning av væske, og både strukturer og væskestrøm vil påvirke celleresponsene. Struktureringen danner basis for et mikroreaktor kultiveringssystem for celler og vev med gjennomstrømming av kulturmedium, som vil ytterligere speile naturlig vev, som for eksempel alveoler i lungene.

Betydelig innsats legges ned i både akademia og industrien for å utvikle celle-, vev- og organsystemer som bedre representerer human fysiologi. Dette inkluderer mer komplekse systemer enn dagens kultur av celler og vev i enkeltlag på hard plast med i et statisk næringsmedium. Nye modeller har ofte et mykt biomateriale som med struktur og bioaktivitet tilsvarer ekstracellulær matrise. De har også gjennomstrømning av næringsmedium som representerer gjennomstrømning av væske i vev. Cellene er også primære celler, i motsetning til kreftceller som er mye brukt i medisinsk forskning. Ofte er kulturene satt sammen av flere celler, enten i kokulturer eller at det er utviklet celleklumper eller organliknende strukturer (organoider) basert på stamceller. Bedre modeller muliggjør bedre forståelse av biologien i menneske og i dyr. Det gjør det også mulig å studere sykdom og effekter av medikamenter og behandling mer presist enn tidligere, og gir muligheter for både persontilpassede modeller og medisinering. Modellene gjør også bruk av dyreforsøk mindre relevant, slik at bruk av dyr til dyreforsøk kan reduseres. Næringsmiddel- og farmasiindustrien investerer store summer for å utvikle egne modeller til uttesting av næringsstoffer og medisiner for å underbygge påstander om effekter og for å danne underlag for videre kliniske forsøk. Akademia fokuserer på studier av material-celle og celle-celle interaksjoner, utvikling av vev og organer, samt sykdomsutvikling og publiserer resultater i de høyest rangerte journalene. Resultater fra 3DLife prosjektet, basert på vitenskapelige publikasjoner og presentasjoner, bidrar til kunnskapsbasen for bruk av alginatbaserte og andre myke materialer i slike avanserte cellekultiveringssystemer. Videre bidrar de til kunnskapsbasen rundt primære humane fibroblaster, som er viktige for dannelsen av bindevev i kroppen og bidrar i å bestemme mikromiljø i forskjellig vev. Kultiveringssystemet vi har optimalisert, med humane fibroblaster i tilpassede hydrogeler, danner nå basis for vevsmodeller i seg selv, eller de kan bygges videre på med for eksempel flere celletyper. Metodene og materialene vi har utviklet i prosjektet bruker vi nå videre i utviklingen av vevsmodeller utover humane fibroblaster, som har vært kjernen i 3DLife prosjektet. Gjennom prosjektperioden har vi erfart at det er stor etterspørsel etter mer avanserte vevsmodeller i norske forskningsmiljø. Vi har jobbet sammen med forskjellige forskere ved Universitetet i Bergen i fire prosjekter med støtte fra Senter for Digitalt Liv. I disse prosjektene har vi brukt materialer og metoder fra 3DLife prosjektet for å dyrke fibroblaster fra hval (finnhval), humane neuroner, samt laget et kultiveringssystem for beinmarg og leukemi for videre å se på effekter av medikamenter. I et nytt prosjekt finansiert fra NTNU Helse, vil vi videreføre 3DLife vevsmodeller ved å utvikle komplekse alveolemodeller for å studere aggressiv lungekreft og behandling av disse.

Cell culture-based experiments are important pillars in all medically related research, allowing examination of living cells without the use of research animals or human subjects. However, the commonly used cellular monolayer cultures are a remote reflection of in vivo conditions, due to a lack of the cellular, structural and chemical elements forming the tissue microenvironment. This disparity results in cells losing their tissue-like phenotype over time, limiting the potential of the models for studying tissue biology and disease progression, and for testing pharmaceutic and toxic compounds. 3DLife aims to develop novel strategies for microtissue engineering in 3D, to provide model systems of organ function and bridge the gap to in vivo conditions. To understand how the microenvironment affects cells we will synthesize novel and tuneable extracellular scaffold materials, and develop tools for high-throughput screening (HTS) of 3D cell cultures to assess genetic expression patterns in response to defined scaffold properties. These advances have limited translational potential without a digital approach that can process the vast data output from HTS analyses and provide a systems-level understanding of material-cell interactions. By applying a computational model, we can predict the requirements of organotypic cells to their microenvironment and tailor materials for improved in vivo-like tissue and organ models for research and clinical applications beyond the state of the art. To achieve this ambitious goal, 3DLife brings in expert competence within material engineering, high-throughput analyses, transcriptomics and bioinformatics, cell biology and cultivation, microsystem technology and mathematical and computational modelling from NTNU and SINTEF supported by international academic collaboration. The project will contribute to the Centre for Digital Life Norway (DLN) with new knowledge, materials and methodology with a broad field of application in biotechnology.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

BIOTEK2021-Bioteknologi for verdiskaping