新型3D水凝胶培养用于研究结核病感染和治疗

发布时间：2024-08-06 15:51:00 栏目：精选百科

导读 印度科学研究所 (IISc) 生物工程系 (BE) 的研究人员设计了一种新型 3D 水凝胶培养系统，可模拟哺乳动物的肺部环境。它为追踪和研究结...

印度科学研究所 (IISc) 生物工程系 (BE) 的研究人员设计了一种新型 3D 水凝胶培养系统，可模拟哺乳动物的肺部环境。它为追踪和研究结核病菌如何感染肺细胞以及测试用于治疗结核病的疗法的疗效提供了一个强大的平台。



结核分枝杆菌 (Mtb) 是一种危险的病原体。据世界卫生组织称，2022 年，该病感染了 1060 万人，造成 130 万人死亡。“这是一种非常古老的细菌，它与我们一起进化了很多，”BE 副教授、发表在《先进医疗材料》上的研究的通讯作者 Rachit Agarwal 说 。Mtb主要感染 肺部。

目前用于研究 结核分枝杆菌 感染的培养模型有几个局限性。它们通常是单层的培养板，不能准确模拟肺内的三维微环境。这种二维培养中细胞所经历的微环境与肺组织周围的实际细胞外基质 (ECM) 大不相同。“在组织培养板中，没有 ECM 分子，即使这些板上覆盖着一层非常薄的 ECM，肺细胞最多也只能在一侧‘看到’ ECM，”BE 博士生兼第一作者 Vishal Gupta 解释说。

与柔软的肺组织相比，2D 培养板也非常坚硬。“你看到的是一块石头，而不是一个枕头，”阿加瓦尔解释道。

他和他的团队现在设计了一种新型 3D 水凝胶培养物，由胶原蛋白制成，胶原蛋白是肺细胞 ECM 中存在的关键分子。胶原蛋白在弱酸性 pH 下可溶于水。随着 pH 值的增加，胶原蛋白形成纤维原，这些纤维原交联形成凝胶状 3D 结构。在凝胶化过程中，研究人员添加了人类巨噬细胞(参与抗击感染的免疫细胞)以及 结核分枝杆菌。 这样可以将巨噬细胞和细菌都困在胶原蛋白中，使研究人员能够追踪细菌如何感染巨噬细胞。

研究小组在 2-3 周内跟踪了感染的进展情况。令人惊讶的是，哺乳动物细胞在水凝胶中存活了三周——目前的培养物只能维持 4-7 天。“这让它更具吸引力，因为 结核分枝杆菌 是一种在体内生长非常缓慢的病原体，”阿加瓦尔说。

接下来，研究人员对水凝胶中生长的肺细胞进行了 RNA 测序，发现与传统培养系统中的细胞相比，它们与实际人类样本更加相似。

该团队还测试了吡嗪酰胺的效果——这是给结核病患者服用的四种最常见药物之一。他们发现，即使是少量(10 µg/ml)的药物也能非常有效地清除 水凝胶培养物中的结核分枝杆菌 。此前，科学家不得不使用大剂量的药物——与患者体内的浓度相比高得多——才能证明它在组织培养中有效。“没有人证明这种药物在任何培养系统中以临床相关剂量起作用……我们的装置进一步证实了 3D 水凝胶能更好地模拟感染，”Agarwal 解释说。

Agarwal 补充说，他们已经为他们的 3D 培养物申请了印度专利，该技术可以扩大工业规模并用于药物测试和发现。“我们的想法是让它保持相当简单，以便其他研究人员可以复制它，”他补充道。

接下来，研究人员计划在 3D 水凝胶培养物中模拟肉芽肿(受感染的白细胞簇)，以探索为什么有些人患有潜伏性结核病，而另一些人则表现出严重症状。古普塔说，该团队还对了解吡嗪酰胺的作用机制感兴趣，这可能有助于发现更有效或同样有效的新药。