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venerdì 30 giugno 2017

Engineering Immune Organoids. Ingegneria degli Organoidi Immuni

Engineering Immune Organoids : An Interview with Prof. Ankur Singh from Cornell University Ingegneria degli Organoidi Immuni: Intervista con Prof. Ankur Singh dell'Università di Cornell

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

B cell lymphomas grow in organoids as clusters, similar to those in patients. The green fluorescent areas represent lymphoma cells, while the red represents support stromal cells.

I linfomi di cellule B crescono in organoidi come cluster, simili a quelli dei pazienti. Le aree fluorescenti verdi rappresentano le cellule del linfoma, mentre il rosso rappresenta le cellule stromali di supporto.

Organ-on-a-chip technologies are redefining the way in which in vitro models help understand and recapitulate the in vivo environment. The immune system is particularly difficult to model in an in vitro environment because of the complexity of biological, mechanical, and chemical cues that modulate the immune cells. Prof. Ankur Singh, an assistant professor in the Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering at Cornell University, has led the development of organ-on-a-chip models to mimic the complex immune environment.

The organoid captures the early stages of a germinal center, which is the center for initiating an immunological response to infection. These organoids can be tailored to study specific diseases, like asthma, cancer, arthritis and transplant rejection. They represent a quick and easy approach to studying and understanding the mechanisms behind disease initiation and propagation.
Another model being developed in Prof. Singh’s lab is the Lymphoma-on-a-chip technology, that accurately recapitulates the microenvironment for a tumor and can be used to study tumor progression. Moreover, these models can be used to study how the tumors respond to chemotherapy drugs, providing new ways of studying tumor resistance.
Prof. Singh was recently awarded the Society for Biomaterials Young Investigator Award and has several grants from the National Institute of Health to further develop his technologies. We recently had the opportunity to interview Prof. Singh to learn more about his team’s models.
Rukmani Sridharan, Medgadget: How representative are the immune organoids for studying immune disorders compared to a current in vitro and in vivo models?
Prof. Singh: The current version of the immune organoid recapitulates selective aspects of the sub-anatomical parts of a lymph node or spleen where immune cells, which have the potential to respond to infections by producing antibodies, are formed. These immune cells, called B cells, are present in our body as naïve, uneducated cells which receive signaling that transforms them into antibody secreting cells. The organoid mimics the early stages of a germinal center, where B cell differentiation and initiation of immunological responses take place during infection. Maturing cells in current 2D systems are very short-lived and lack the supporting tissue niche, on the other hand, previous attempts to engineer 3D scaffolds have only shown a formation of these highly specialized cells (called Germinal Center B cells) when implanted in vivo, exploiting the host microenvironment. Importantly, these studies did not provide evidence of control over the rate of immune reaction ex vivo or in vivo, and no studies have been reported that demonstrate differentiating B cells can survive ex vivo for successful conversion into the desired phenotype.
We submit that several aspects are still to be incorporated to make it completely similar to the in vivo environment; however, the system is suitable in its current form to determine how extracellular and intracellular factors can affect B cell activation. Understanding the factors that control the production, maturation and long-term survival of B cells is critical for more rapid development of disease-specific B cells, improved immunotherapeutic design (such as vaccines and immunomodulatory drugs) and to provide mechanisms to target disorders resulting from defective B cell process (e.g. immunodeficiency with hyper-IgM, aging, as well as various B cell lymphomas or multiple myeloma).
Medgadget: How long can you keep these organoids in culture? Can they be constantly replenished /maintained to study the changes in immune response over time and changing environmental conditions?
Prof. Singh: The organoids are tunable and can be kept in culture for up to 14 days, however, we already see 100-fold superior response over 4 days and have plentiful cells within 8-10 days. Although longer times are possible, we have not tested this as the peak time for in vivo maturation is around 10 days. These are cultured in standard tissue culture plates and can be constantly replenished /maintained to study the changes in immune response over time and changing environmental conditions.

Medgadget: You have used gelatin and polyethylene glycol as base materials for building the organoids. How closely do these mimic the conditions normally found in the germinal centers in vivo? Do you anticipate using other materials in the future?
Prof. Singh: The rationale for using gelatin was the abundance of adhesive motifs that are found in the germinal center phase of the immune reaction. We have however developed a second generation designer immune organoid which allows us to change the signaling ligand/protein as needed. This organoid is composed of maleimide-functionalized PEG where a simple click chemistry is applied to “click” short peptide of interest, and the peptide represents adhesive motifs found in larger bioadhesive proteins such as vitronectin, laminin, and fibronectin.  PEG itself is an inert material, so this allows us to precisely control the binding of cells to the material.

Medgadget: Your lymphoma-on-a-chip technology sounds very interesting. Could you explain what your plans are with this model?
Prof. Singh: The Lymphoma-on-a-chip technology recapitulates the microenvironment for a tumor and can be used to study tumor progression. Moreover, these models can be used to study how the tumors respond to chemotherapy drugs, providing new ways of studying tumor resistance.

Medgadget: Organ-on-a-chip technologies are becoming more mainstream and more people are coming on board with the idea of using them. How far are we from replacing existing models with these technologies?
Prof. Singh: Organ-on-a-chip platforms are extremely useful for creating developmental and disease models as well as for conducting drug testing studies. They often recapitulate selective aspect of a target organ system and are very effective. Multiple labs are now moving into whole body-on-chip models. Interestingly, almost all of these approaches lack immune system on a chip, primarily because of the layers of complexity of this organ system. It would be less useful to simply put a single type of immune cells in conjunction with body or organ on a chip, and I believe we, as engineers, need to think more deeply about multiple components of the immune system and how one immune cell orchestrates the performance of other immune cells. Our immune organoids are a good example of a system that entails much deeper immunology and focuses on a specialized area of the lymph node. Our next steps would be to integrate other sub-anatomical parts of immune organs and make a more holistic organ on a chip.

Medgadget: What are your plans for commercialization of the technology?
Prof. Singh: Our patents are pending and companies have expressed interest, but we are still in the early stages of assessing our best step forward.
Le tecnologie basate sugli organi sui micrprocessori stanno ridefinendo il modo in cui i modelli in vitro aiutano a capire e ricapitolare l'ambiente in vivo. Il sistema immunitario è particolarmente difficile da modellare in un ambiente in vitro a causa della complessità di segnali biologici, meccanici e chimici che modulano le cellule immunitarie. Prof. Ankur Singh, professore ordinario presso la Sibley School of Engineering e Ingegneria Aerospaziale dell'Università Cornell, ha condotto lo sviluppo di modelli organi sui microprocessori per imitare il complesso ambiente immunitario.
L'organoide cattura le prime fasi di un centro germinale, che è il centro per iniziare una risposta immunologica all'infezione. Questi organoidi possono essere adattati per studiare malattie specifiche, come l'asma, il cancro, l'artrite e il rigetto del trapianto. Essi rappresentano un approccio rapido e facile allo studio e alla comprensione dei meccanismi che nascono dall'iniziazione e dalla propagazione delle malattie.
Un altro modello sviluppato nel laboratorio di Prof. Singh è la tecnologia Linfoma su microprocessore, che ricapitola accuratamente il microambiente per un tumore e può essere utilizzato per studiare la progressione tumorale. Inoltre, questi modelli possono essere usati per studiare come i tumori rispondono ai farmaci chemioterapici, fornendo nuovi modi per studiare la resistenza tumorale.
Prof. Singh è stato recentemente assegnato alla Società per i Giovani Investigator Award per i Biomateriali e ha fornito diversi contributi all'Istituto Nazionale della Salute per sviluppare ulteriormente le sue tecnologie. Recentemente abbiamo avuto l'opportunità di intervistare Prof. Singh per saperne di più sui modelli del suo gruppo.
Rukmani Sridharan, Medgadget: Quanto sono rappresentativi gli organoidi immunitari per studiare i disturbi immuni rispetto a quelli attuali in vitro e in vivo?
Prof. Singh: La versione attuale dell'organoide immunitario ricapitola gli aspetti selettivi delle parti sub-anatomiche di un linfonodo o di una milza dove vengono formate cellule immunitarie, che hanno il potenziale per rispondere alle infezioni producendo anticorpi. Queste cellule immunitarie, dette cellule B, sono presenti nel nostro corpo come cellule native e non addestrate che ricevono segnalazioni che li trasformano in cellule secernenti anticorpi. L'organoide imita le prime fasi di un centro germinale, dove la differenziazione delle cellule B e l'inizio delle risposte immunologiche avvengono durante l'infezione. Le cellule mature in sistemi 2D attuali sono molto a breve termine e mancano della nicchia di supporto; dall'altro, i tentativi precedenti di ingegnerizzazione degli impalcature 3D hanno dimostrato solo una formazione di queste cellule altamente specializzate (chiamate centrali Germinal Center B) quando sono stati impiantati in vivo, sfruttando il microambiente base. Importante, questi studi non hanno fornito prove di controllo sul tasso di reazione immunitaria ex vivo o in vivo e non sono stati riportati studi che dimostrano che le cellule B differenziali possono sopravvivere ex vivo per una conversione di successo nel fenotipo desiderato.
Diciamo che molti aspetti devono ancora essere incorporati per renderlo assolutamente simile all'ambiente in vivo; tuttavia, il sistema è adatto nella sua forma attuale per determinare come i fattori extracellulari e intracellulari possono influenzare l'attivazione delle cellule B. La comprensione dei fattori che controllano la produzione, la maturazione e la sopravvivenza a lungo termine delle cellule B sono fondamentali per uno sviluppo più rapido di cellule B specifiche per le malattie, un miglioramento della progettazione immunoterapica (come i vaccini e farmaci immunomodulatori) e fornire meccanismi per disturbi dell'obiettivo derivanti da difetto del processo di cellule B (ad es. Immunodeficienza con iper-IgM, invecchiamento, così come vari linfomi di cellule B o mieloma multiplo).
Medgadget: Quanto tempo puoi mantenere questi organoidi nella cultura? Possono essere costantemente riforniti / mantenuti per studiare i cambiamenti nella risposta immunitaria nel tempo e le mutevoli condizioni ambientali?
Prof. Singh: Gli organoidi sono sintonizzabili e possono essere conservati in cultura per un massimo di 14 giorni, tuttavia, abbiamo già una risposta superiore a 100 volte superiore a 4 giorni e abbiamo cellule abbondanti entro 8-10 giorni. Sebbene siano possibili tempi più lunghi, non abbiamo testato questo come momento di punta per la maturazione in vivo sia di circa 10 giorni. Questi sono coltivati ​​in piastre di coltura di tessuti standard e possono essere costantemente riforniti / mantenuti per studiare i cambiamenti nella risposta immunitaria nel tempo e le mutevoli condizioni ambientali.

 Medgadget: Hai usato gelatina e polietilenglicole come materiali di base per la costruzione degli organoidi. Quanto questi simulano le condizioni normalmente riscontrate nei centri germinali in vivo? Si prevede di utilizzare altri materiali in futuro?
Prof. Singh: La logica per l'uso della gelatina è l'abbondanza di motivi adesivi che si trovano nella fase germinale centrale della reazione immunitaria. Abbiamo però sviluppato un organoide immune organizzatore di seconda generazione che ci permette di cambiare il ligando / proteine ​​di segnalazione secondo necessità. Questo organoide è composto da PEG maleimidico-funzionalizzato, dove una semplice chimica di scatto viene applicata per "cliccare" il peptide corto di interesse e il peptide rappresenta motivi adesivi presenti nelle più grandi proteine ​​bioadesive come vitronectina, laminina e fibronectina. PEG stesso è un materiale inerte, quindi questo ci permette di controllare con precisione il legame delle cellule al materiale.
Medgadget: la tua tecnologia linfoma su microprocessore è molto interessante. Puoi spiegare quali sono i tuoi progetti con questo modello?
Prof. Singh: La tecnologia linfoma su microprocessore ricapitola il microambiente per un tumore e può essere utilizzato per studiare la progressione tumorale. Inoltre, questi modelli possono essere usati per studiare come i tumori rispondono ai farmaci chemioterapici, fornendo nuovi modi per studiare la resistenza tumorale.
Medgadget: le tecnologie orgai su processori  diventando più importanti e più persone stanno arrivando a decidere di usarli. Quanto dobbiamo sostituire i modelli esistenti con queste tecnologie?
Prof. Singh: Le piattaforme organi su microprocessori sono estremamente utili per la creazione di modelli di sviluppo e malattie nonché per la conduzione di studi sulla droga. Essi spesso ricapitolano l'aspetto selettivo di un sistema di organi bersaglio e sono molto efficaci. Molti laboratori si stanno muovendo in modelli interi su sitemi su microprocessore. È interessante notare che quasi tutti questi approcci non dispongono di un sistema immunitario su un chip, soprattutto a causa degli strati di complessità di questo sistema organico. Sarebbe meno utile mettere semplicemente un singolo tipo di cellule immunitarie in combinazione con il corpo o l'organo su un chip, e credo che, come ingegneri, dobbiamo pensare più a fondo su più componenti del sistema immunitario e come una cellula immunitaria organizzerà  la prestazione di altre cellule immunitarie. I nostri organoidi immuni sono un buon esempio di un sistema che comporta un'immunologia molto più apprfondita e si concentra su un'area specializzata del linfonodo. I nostri passi successivi consisterebbero nell'integrare altre parti subatomiche di organi immuni e creare un organo più olistico su un chip.
Medgadget: Quali sono i tuoi progetti per la commercializzazione della tecnologia?
Prof. Singh: I nostri brevetti sono in sospeso e le aziende hanno espresso interesse, ma siamo ancora nelle prime fasi di valutazione delle succesive decisioni.