Postęp w tworzeniu organoidów może wspomóc badania naukowe oraz prowadzić do nowych terapii
Od ponad dekady naukowcy hodują organoidy – niewielkie skupiska komórek imitujące konkretne narządy – które służą jako miniaturowe modele biologiczne. Organoidy mózgu wykorzystywane były do badania zaburzeń neurorozwojowych, organoidy jelitowe – do modelowania choroby trzewnej (celiakii), natomiast organoidy płucne – do analiz infekcji wirusem SARS-CoV-2. Organoidy serca zostały nawet wysłane w przestrzeń kosmiczną, by zbadać wpływ mikrograwitacji na mięsień sercowy. Jednak istnieje drobny problem – organoidy nie mogą rosnąć do rozmiarów większych niż ziarno sezamu.
W odróżnieniu od żywych tkanek w organizmie, organoidom brakuje układu naczyniowego, który dostarczałby tlen i substancje odżywcze do każdej komórki. Kiedy organoid osiąga średnicę około 3 milimetrów, nie może już samodzielnie pozyskiwać potrzebnych składników z otoczenia.
„Kiedy organoidy osiągają określony rozmiar, zaczynają obumierać od wewnątrz, ponieważ nie są w stanie dostarczyć tlenu i składników odżywczych do środka struktury” – tłumaczy dr Oscar Abilez, starszy naukowiec z Oddziału Dziecięcej Chirurgii Kardiologicznej.
Jednak w badaniu opublikowanym 5 czerwca na łamach czasopisma „Science”, zespół naukowców ze Stanford Medicine, w tym Abilez, z powodzeniem wyhodował organoidy serca i wątroby wyposażone w miniaturowy układ naczyń krwionośnych, co może pozwolić na przekroczenie obecnych ograniczeń wielkości tych struktur.
Możliwość hodowania unaczynionych organoidów rozwiązuje istotny problem w tej dziedzinie badań – podkreśla Abilez, współautor publikacji. Wbudowane naczynia krwionośne mogą umożliwić organoidom wzrost do większych rozmiarów oraz osiągnięcie bardziej dojrzałego stanu, dzięki czemu staną się one jeszcze bardziej przydatne jako modele biologiczne.
Dr Huaxiao (Adam) Yang, wcześniej związany z Instytutem Sercowo-Naczyniowym Stanford, obecnie adiunkt na Wydziale Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu Północnego Teksasu, był współkierującym zespołem badawczym.
Takie organoidy mogłyby być również kluczowe w terapiach regeneracyjnych, jak zauważa dr Joseph Wu, autor wiodący publikacji, profesor medycyny i radiologii, dyrektor Instytutu Sercowo-Naczyniowego Stanford oraz profesor im. Simona H. Stertzera.
W odrębnych badaniach klinicznych prowadzonych przez Wu komórki mięśnia sercowego (kardiomiocyty) wyhodowane w laboratorium są już wstrzykiwane pacjentom z dysfunkcją serca. „Ale prawdziwa tkanka serca zawiera więcej rodzajów komórek niż tylko kardiomiocyty – są w niej także komórki śródbłonka, mięśnie gładkie, perycyty, fibroblasty i inne” – wyjaśnia Wu.
W przyszłości unaczynione organoidy sercowe, wyhodowane ze stemowych komórek pacjenta, mogłyby zostać chirurgicznie wszczepione w celu zastąpienia utraconej lub uszkodzonej tkanki serca.
„Zakładamy, że jeśli organoidy będą posiadać układ naczyniowy, będą mogły połączyć się z naczyniami krwionośnymi gospodarza, co zwiększy ich szansę na przeżycie po wszczepieniu,” wyjaśnił Oscar Abilez, MD, PhD, starszy naukowiec z Oddziału Chirurgii Kardiologicznej Dziecięcej Uniwersytetu Stanforda.
Poszukiwanie optymalnej receptury hodowlanej
Organoidy tworzy się z pluripotencjalnych komórek macierzystych, które poddaje się działaniu różnych czynników chemicznych – takich jak czynniki wzrostu oraz małe cząsteczki – aby przekształcić je w specyficzne typy komórek.
Dotychczasowe próby stworzenia organoidów serca zawierających naczynia krwionośne dawały jednak niejednorodne wyniki w zakresie potrzebnych typów komórek. Inne grupy badawcze próbowały podejścia inżynieryjnego – osobno hodując komórki śródbłonka lub nawet drukując struktury naczyniowe w technologii 3D, a następnie łącząc je z organoidami serca. Mimo to nie udało się stworzyć organoidów wyposażonych w realistycznie rozgałęzioną sieć naczyń krwionośnych.
„Te struktury nie przypominały realnych, rozgałęzionych naczyń z prawdziwymi kanałami,” zaznaczył Abilez.
W najnowszym badaniu, opublikowanym 5 czerwca w czasopiśmie „Science”, zespół ze Stanford Medicine opracował optymalną „recepturę” chemiczną do hodowli organoidów serca, które generują niemal wszystkie typy komórek serca człowieka, w tym te odpowiedzialne za rozwój układu naczyniowego.
Badacze przeanalizowali istniejące metody tworzenia trzech kluczowych typów komórek serca: kardiomiocytów, komórek śródbłonka oraz komórek mięśni gładkich. Następnie przetestowali 34 różne warunki hodowlane – określając, które czynniki wzrostu, w jakich stężeniach i w jakim czasie powinny być dodawane do komórek.
Dodatkowo zmodyfikowali komórki macierzyste, aby świeciły różnymi kolorami po przekształceniu w poszczególne typy komórek. Po około dwóch tygodniach hodowli jedna receptura – oznaczona jako warunek 32 – zdecydowanie przeważyła nad innymi. Dostarczyła ona najbardziej złożone struktury, zawierające kardiomiocyty, komórki śródbłonka oraz mięśni gładkich w optymalnej ilości.
„Wynik był bardzo oczywisty,” stwierdził Abilez. „Wybraliśmy tę metodę, która generowała największą liczbę komórek barwiących się na trzy różne kolory odpowiadające głównym typom komórek serca.”
Pod mikroskopem 3D organoidy przypominały kształtem pierścień, z kardiomiocytami i komórkami mięśni gładkich umiejscowionymi centralnie, a zewnętrzną warstwą komórek śródbłonka tworzącą wyraźnie rozgałęzione struktury naczyniowe. Te miniaturowe, rurkowate naczynia krwionośne przypominały kapilary w ludzkim sercu o średnicy od 10 do 100 mikronów, czyli mniej więcej grubości ludzkiego włosa.
Gdy naukowcy przeprowadzili analizę RNA pojedynczych komórek organoidów, ku ich zaskoczeniu okazało się, że struktury te zawierają niemal wszystkie inne typy komórek występujące w sercu. Każdy z organoidów posiadał od 15 do 17 różnych typów komórek, co odpowiada sercu zarodka ludzkiego na etapie szóstego tygodnia rozwoju, mającemu 16 typów komórek. Dla porównania, dorosłe ludzkie serce zawiera 21 typów komórek.
„Organoidy miały w sobie praktycznie wszystkie inne typy komórek typowe dla ludzkiego serca. Było to dla nas pozytywne zaskoczenie,” dodał Abilez.
Organoidy jako modele rozwoju embrionalnego
Zastosowana optymalna receptura hodowli przypomina warunki panujące podczas wczesnych etapów rozwoju embrionalnego, kiedy różnicują się komórki, a układ naczyniowy zaczyna się tworzyć. Dzięki temu organoidy mogą stanowić cenne modele pozwalające badać najwcześniejsze etapy ludzkiego rozwoju, które z powodów etycznych są bardzo trudne do eksploracji.
„Wczesny rozwój ciąży stanowi rodzaj biologicznej „czarnej skrzynki”, gdzie ze względów etycznych nie możemy testować działania leków,” podkreślił Abilez.
W ramach weryfikacji koncepcji naukowcy przetestowali na unaczynionych organoidach wpływ fentanylu – silnego opioidu o dużym potencjale uzależniającym. Zaobserwowali, że ekspozycja na fentanyl prowadziła do zwiększenia liczby naczyń krwionośnych.
„Nie wiemy jeszcze, jak mogłoby to wpłynąć na noworodka, ale sam fakt różnicy jest już istotny,” podkreślił Abilez.
Zastosowanie technologii do innych narządów
Zespół naukowców wykazał także, że opracowaną metodę hodowli naczyń krwionośnych można zastosować do tworzenia organoidów innych narządów. Łącząc ustalone już metody różnicowania komórek typowych dla wątroby, udało się stworzyć wątrobowe organoidy z dobrze rozwiniętym układem naczyniowym.
W przyszłych badaniach naukowcy zamierzają pozwolić organoidom rozwijać się dłużej, aby ocenić, jak duże i dojrzałe struktury można uzyskać. Planują również dalszą optymalizację metod unaczynienia, aby wygenerować jeszcze większą liczbę typów komórek, takich jak komórki immunologiczne i komórki krwi, co umożliwi stworzenie modeli jeszcze lepiej odzwierciedlających dorosłe narządy i choroby człowieka.
„Chciałbym zastosować tę technologię do wszystkich typów organoidów, jakie jesteśmy w stanie stworzyć. Przecież niemal każdy narząd w naszym ciele posiada układ naczyniowy,” podsumował Abilez.
W badaniach uczestniczyli także naukowcy z Uniwersytetu Północnego Teksasu, Rosebud Biosciences, Bullseye Biotechnologies oraz Greenstone Biosciences.
Źródło: Science, Stanford Medicine, fot. Oscar Abilez/Stanford Medicine
