Sản xuất mô mắt bằng tế bào gốc và in sinh học 3D

Thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi tác (AMD) là nguyên nhân hàng đầu gây mù lòa. Nó bắt đầu ở hàng rào máu võng mạc bên ngoài (oBRB) được hình thành bởi biểu mô sắc tố võng mạc (RPE), màng Bruch và choriocapillaris. Các cơ chế khởi phát và tiến triển của AMD vẫn cần được hiểu rõ hơn do thiếu các mô hình oBRB liên quan đến sinh lý của con người.

Nhóm nghiên cứu của Viện Mắt Quốc gia (NEI), một phần của Viện Y tế Quốc gia, đã sử dụng cho bệnh nhân tế bào gốc và in sinh học 3D để tạo ra mô mắt giúp nâng cao hiểu biết về cơ chế gây ra các bệnh gây mù. Các nhà khoa học đã in được một tổ hợp các tế bào hình thành nên hàng rào máu-võng mạc bên ngoài.

Biểu mô sắc tố võng mạc (RPE), được tách ra khỏi màng đệm giàu mạch máu bằng màng Bruch, tạo nên hàng rào máu-võng mạc bên ngoài. Choriocapillaris và RPE trao đổi chất dinh dưỡng và chất thải dưới sự kiểm soát của màng Bruch. Drusen, là sự tích tụ lipoprotein, phát triển bên ngoài màng Bruch trong AMD và cản trở chức năng của nó. Sự xuống cấp của RPE theo thời gian gây ra sự suy giảm tế bào cảm quang và mất thị lực.

Các nhà khoa học đã kết hợp ba loại tế bào màng đệm chưa trưởng thành trong hydrogel: tế bào ngoại vi, tế bào nội mô và nguyên bào sợi. Sau đó, họ in gel lên một giàn giáo có thể phân hủy sinh học. Trong vòng vài ngày, các tế bào bắt đầu trưởng thành thành một mạng lưới mao mạch dày đặc.

Vào ngày thứ chín, các nhà khoa học đã gieo mầm các tế bào biểu mô sắc tố võng mạc ở mặt bên của giàn giáo. Mô in đã đạt đến độ trưởng thành hoàn toàn vào ngày thứ 42. Các phân tích mô cũng như xét nghiệm di truyền và chức năng cho thấy mô in có hình dáng và hoạt động tương tự như hàng rào máu-võng mạc bên ngoài tự nhiên.

Khi chịu áp lực, mô in biểu hiện các đặc điểm của AMD giai đoạn đầu, chẳng hạn như lắng đọng drusen dưới RPE, và tiến triển thành AMD giai đoạn khô, nơi mô được nhìn thấy bị phân hủy. Mức oxy thấp gây ra hiện tượng ướt giống như bệnh AMD với tình trạng tăng sinh mạch máu hắc mạc quá mức đã di chuyển vào vùng phụ RPE. Khi được sử dụng để điều trị AMD, thuốc chống VEGF làm chậm quá trình hình thành và di chuyển của mạch máu đồng thời cải thiện hình dạng mô.

Kapil Bharti, Tiến sĩ, người đứng đầu Bộ phận NEI về Nghiên cứu Dịch chuyển Tế bào gốc và Mắt cho biết, “Bằng cách in các tế bào, chúng tôi đang tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi các tín hiệu tế bào cần thiết cho giải phẫu hàng rào máu-võng mạc bên ngoài bình thường. Ví dụ, sự hiện diện của tế bào RPE gây ra biểu hiện gen những thay đổi trong nguyên bào sợi góp phần hình thành màng Bruch - điều đã được đề xuất từ ​​nhiều năm trước nhưng chưa được chứng minh cho đến khi mô hình của chúng tôi diễn ra.”

Các nhà khoa học đã giải quyết hai vấn đề công nghệ: tạo ra một giàn giáo có khả năng phân hủy sinh học thích hợp và đạt được kiểu in nhất quán. Họ đã phát triển một loại hydrogel nhạy cảm với nhiệt độ, tạo ra các hàng riêng biệt khi gel lạnh nhưng hòa tan khi gel ấm lên. Một hệ thống đánh giá cấu trúc mô chính xác hơn đã được thực hiện nhờ tính nhất quán của hàng tốt. Ngoài ra, họ đã tối ưu hóa tỷ lệ nguyên bào sợi, tế bào nội mô và tế bào ngoại vi trong tổ hợp tế bào.

Đồng tác giả Marc Ferrer, Tiến sĩ, giám đốc Phòng thí nghiệm in sinh học mô 3D tại Trung tâm tiến bộ khoa học dịch thuật quốc gia của NIH, và nhóm của ông đã cung cấp chuyên môn về chế tạo sinh học các mô hàng rào máu-võng mạc bên ngoài “trong giếng, ” cùng với các phép đo phân tích để sàng lọc thuốc.

“Những nỗ lực hợp tác của chúng tôi đã mang lại những mô hình mô võng mạc rất phù hợp cho các bệnh thoái hóa mắt,” Ferrer nói. “Những mô hình như vậy có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các ứng dụng tịnh tiến, bao gồm cả phát triển phương pháp trị liệu”.

Tạp chí tham khảo:

1. Min Jae Song, Russ Quinn và cộng sự. Hàng rào võng mạc bên ngoài 3D được in sinh học phát hiện ra kiểu hình màng đệm phụ thuộc RPE trong bệnh thoái hóa điểm vàng tiến triển. Phương pháp tự nhiên, 2022; DOI: 10.1038/s41592-022-01701-1