Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture

类有机物 细胞外基质 干细胞 细胞生物学 纤维连接蛋白 生物 细胞分化 多细胞生物 LGR5型 细胞 化学 癌症干细胞 生物化学 基因
作者
Nikolce Gjorevski,Norman Sachs,Andrea Manfrin,Sonja Giger,Maiia E. Bragina,Paloma Ordóñez‐Morán,Hans Clevers,Matthias P. Lütolf
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:539 (7630): 560-564 被引量:1339
标识
DOI:10.1038/nature20168
摘要

Epithelial organoids recapitulate multiple aspects of real organs, making them promising models of organ development, function and disease. However, the full potential of organoids in research and therapy has remained unrealized, owing to the poorly defined animal-derived matrices in which they are grown. Here we used modular synthetic hydrogel networks to define the key extracellular matrix (ECM) parameters that govern intestinal stem cell (ISC) expansion and organoid formation, and show that separate stages of the process require different mechanical environments and ECM components. In particular, fibronectin-based adhesion was sufficient for ISC survival and proliferation. High matrix stiffness significantly enhanced ISC expansion through a yes-associated protein 1 (YAP)-dependent mechanism. ISC differentiation and organoid formation, on the other hand, required a soft matrix and laminin-based adhesion. We used these insights to build a fully defined culture system for the expansion of mouse and human ISCs. We also produced mechanically dynamic matrices that were initially optimal for ISC expansion and subsequently permissive to differentiation and intestinal organoid formation, thus creating well-defined alternatives to animal-derived matrices for the culture of mouse and human stem-cell-derived organoids. Our approach overcomes multiple limitations of current organoid cultures and greatly expands their applicability in basic and clinical research. The principles presented here can be extended to identify designer matrices that are optimal for long-term culture of other types of stem cells and organoids.
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