MANTIS® 액체 프로세서를 통한 오가노이드 배양 확장: MIT 사례 연구

오가노이드는 연구자들이 조직 생물학을 놀라울 정도로 충실하게 연구할 수 있게 해줍니다. 3D 체외 배양 시스템을 사용하여 특정 장기의 주요 특징을 표시함으로써 이러한 복잡한 다세포 구조는 생리적으로 관련된 통찰력을 제공하여 많은 연구 분야를 발전시키는 데 도움을 줍니다. 전통적인 오가노이드 배양의 가장 큰 한계는 적당한 처리량을 달성하기 위해 고도로 전문화된 인력이 필요한 노동 집약적이고 손이 많이 가는 공정이라는 점입니다. 매사추세츠 공과대학(MIT) 샬렉 연구소의 연구원들은 포뮬라트릭스의 MANTIS® 액체 프로세서를 사용하여 다양한 용량으로 450개 이상의 저분자를 신속하게 스크리닝하여 소장 오가노이드 내 PAN 세포의 분화 능력을 향상시킬 수 있었습니다. MANTIS®는 이전에는 달성할 수 없었던 수준의 처리량을 제공하며, 제한된 수의 샘플에서 다양한 변이에 대한 이해를 증진하는 데 매우 중요합니다. 재료는 제한된 샘플의 여러 변화에 대한 이해를 증진하는 데 매우 중요합니다.

장 상피 장벽은 중요한 치료 표적입니다.

피부, 기도 및 장 세포에 의해 형성된 조직 장벽은 환경과의 상호 작용 및 환경으로부터의 보호를 제공합니다. 조직 장벽은 체액, 영양소, 전해질 및 대사 노폐물 수준의 균형을 유지하고 면역 체계와 긴밀히 협력하여 병원균에 대한 방어 기능을 제공하며 종양 감시 및 박멸에 중요한 역할을 합니다.

조직 장벽 기능 장애는 감염, 암, 알레르기 및 다양한 자가 면역 질환과 같은 광범위한 질병 상태와 관련이 있습니다. 항바이러스제 및 항생제와 같은 치료법으로 환경 노출을 완화할 수 있고 백신과 면역 요법으로 면역 반응을 조절할 수 있지만, 기존의 방법으로는 문제를 해결할 수 없는 경우도 있습니다.

장 상피 장벽은 조직 장벽의 핵심 구성 요소임에도 불구하고 지금까지 치료 표적으로서 활용도가 낮았습니다. 연구자들은 오가노이드 시스템을 사용하여 다양한 기원의 장 상피 장벽 조직을 모델링함으로써 이러한 복잡한 시스템을 더 잘 이해할 수 있으며, 이를 통해 다양한 질병을 치료할 수 있는 치료법을 개발할 수 있습니다.

 

장기 유사 모델이 연구 발전을 주도하고 있습니다.

오가노이드는 최근 몇 년간 줄기세포 연구에서 가장 가치 있는 발전 중 하나입니다. 개별 성체 줄기세포, 성체 줄기세포가 포함된 조직 샘플 또는 만능 줄기세포의 직접 분화를 통해 파생된 오가노이드는 장기별 세포 유형으로 분화할 수 있는 줄기세포 집단을 포함합니다. 이러한 세포는 해당 기관과 유사한 공간 조직과 기능을 나타내며 생체 내 조건을 모방하는 생리학적 관련 시스템을 생성합니다.

그림 1. 분류 기관은 이 소장 분류 기관의 토굴/융모 형태와 같이 대표 기관과 유사한 공간 구성 및 기능을 나타냅니다.

 

오가노이드 연구는 유동성에 의해 제한됩니다.

오가노이드를 배양하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 여기에는 섬유아세포 공급층이 있는 상태에서 또는 제어된 생체 재료 매트릭스의 표면에서 줄기세포를 배양하는 방법이 포함되지만 가장 널리 사용되는 방법은 Matrigel®과 같은 생물학적 유래 세포 외 매트릭스(ECM)에 줄기세포를 캡슐화하여 배양하는 것입니다. 특정 성장 인자가 포함된 세포 배양액으로 플레이트 접종된 Matrigel® 돔을 캡슐화하면 세포가 증식하여 연구자의 관심 기관을 대표하는 3차원 구조를 형성합니다.

그림 2: Matrigel® 돔은 줄기세포를 캡슐화하고 증식을 촉진하여 생리적으로 적합한 3차원 구조를 형성합니다.

1) 최대 성장에 필요한 돔 모양을 유지하기 위해 웰의 가장자리를 피하여 예열된 조직 배양 플레이트에 세포가 탑재된 ECM을 정밀하게 증착하고, 2) 샘플 재료가 매우 제한적이므로 매우 적은 양으로 정밀하게 조작하고, 3) 합리적인 수준의 온도 제어가 필요한 경우 등 세 가지 특정 요건이 있습니다. Matrigel® 및 이와 유사한 기질은 4°C에서 점성 액체로 존재하며 경화된 하이드로젤을 형성하기 위해 따뜻한 표면과 환경이 필요합니다.

이러한 요구 사항으로 인해 오가노이드 배양을 기존 스크리닝 장비(96/384/1536 웰 포맷)와 호환되는 규모로 소형화하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 다소 지루하고 시간이 많이 걸리는 Matrigel® 증착 공정은 48웰 플레이트에서 수동으로 수행할 수 있지만, 플레이트 부피가 커지면 액적 오형성률이 크게 증가하고 실험의 재현성이 크게 제한됩니다.

 

MANTIS®는 소형 오가노이드 연구를 위한 벤치 사이즈 솔루션입니다.

MIT 샬렉 연구소의 연구원들은 수동 Matrigel® 증착 방법의 한계를 극복하기 위해 포뮬라트릭스의 MANTIS® 액체 프로세서를 사용하여 다양한 플레이트 형식(최대 384개 웰)에 Matrigel® 방울을 디스펜싱했습니다. 이 연구의 목적은 높은 처리량 방법에 적합한 규모로 소장 오가노이드 시스템을 사용하여 화합물 스크리닝 활동을 완료하는 것이었습니다.

MANTIS®는 단일 채널 비접촉식 미세유체 디스펜서를 사용하여 개별 시약을 한 번에 하나씩 개별 웰에 전달함으로써 유체를 일회용 칩에 한정하여 교차 오염을 방지하고 세척이 필요 없습니다. 업계 최고 수준인 31 TP3T 미만의 CV는 6~48개의 칩을 수용하고 최대 25cP(실온에서 글리세롤의 최대 601 TP3T에 해당)의 수용액을 처리하여 다양한 워크플로 유연성을 지원하면서 0.1µL까지 정밀한 용량을 전달할 수 있게 해줍니다.

이러한 기능 외에도 MANTIS는 설치 공간이 1ft3에 불과해 냉장고나 인큐베이터와 같은 온도 관리가 필요한 환경에서도 쉽게 설치할 수 있습니다. 또한 다양한 실험실 소프트웨어 및 기기와 호환되므로 기존 워크플로우에 원활하게 통합할 수 있습니다.

그림 3: MANTIS®는 설치 공간이 매우 작고 온도 조절이 가능한 환경에서 밀봉할 수 있습니다. 이 테스트 동안 MANTIS®를 냉장고에 넣어 4°C(회색 = 차갑게, 빨간색 = 따뜻하게)의 가열된 표면에 Matrigel® 플레이트를 접종할 수 있었습니다. 이는 Matrigel® 돔 형성에 이상적인 조건입니다.

소장 오가노이드 배양의 소형화로 핵심 인사이트 제공

MIT 샬렉 연구소의 박사후 연구원인 벤 미드(Ben Mead)와 동료들은 MANTIS®를 사용하여 기존 워크플로우를 소형화하고 소장 오가노이드 시스템에서 화합물 라이브러리를 선별하여 PAN 세포의 분화를 향상시킬 수 있는 도구적 분자를 확인했습니다. 이 세포는 인간 소장의 주요 항미생물 생산 세포이며 상피 장벽 기능에 매우 중요합니다.

강력한 통계적 측정 데이터(아직 공개되지 않음)를 적용한 결과, 미드 교수와 동료들은 여러 종묘 화합물을 확인했습니다. 이 중 일부는 후속 연구로 이어져 PAN 세포의 표적 분화에서 고려해야 할 새로운 생물학적 표적을 묘사할 수 있는 중요한 기회를 제공했습니다.

확장으로 개인 맞춤형 의료의 기회 증가

MANTIS®의 몇 가지 주요 기능은 MIT 연구진의 연구 결과를 기반으로 합니다. 하나의 자유 암을 사용하여 Matrigel® 방울을 디스펜싱하는 MANTIS®는 다양한 플레이트 형식(최대 384웰)으로 정밀한 플레이트 접종을 제공하여 실험의 규모를 늘릴 수 있습니다. 이 기기는 필요에 따라 처리량을 더욱 확장하기 위해 1536웰 플레이트도 수용할 수 있습니다.

세척 가능한 일회용 칩 부착 피펫 팁 덕분에 MIT 연구자들은 시약 요구 사항과 관련 비용을 줄이면서 제한된 시료 양을 처리할 수 있습니다. 또한 MANTIS®의 설치 공간이 작기 때문에 전체 장치를 표준 냉장고에 쉽게 설치할 수 있고 예열 블록과 결합하여 예열된 조직 배양 표면에 냉각된 Matrigel® 방울을 정확하게 침전시킬 수 있으며(그림 4 참조), 이 플레이트 접종은 수동 기술에 비해 크게 개선되었습니다.

그림 4: MANTIS®는 웰당 Matrigel®의 양, 플레이트 접종 배지의 양, 접종할 장 오가노이드의 수 등 시약 요구량을 크게 줄이고 플레이트 접종 시간을 단축합니다.

MIT의 연구원들은 MANTIS®가 제공하는 소형화 접근 방식이 유한한 물질의 다양한 변형을 연구하는 데 효과적이라는 사실을 입증했습니다. 이는 단일 환자 생검에서 오가노이드를 검출하는 것과 관련이 있으며 개인 맞춤형 의학을 위한 많은 새로운 기회를 열어줍니다. 기술이 발전함에 따라 추가 측정 양식을 포함하면 모델 충실도가 더욱 향상될 것이며, MANTIS®는 더 큰 규모의 필요성을 실현하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

 

출처: @BostonFummerle

시간: 2022.01.11

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