Organoidy: Czym są i jak pomagają w medycynie regeneracyjnej?
Badania nad komórkami macierzystymi umożliwiły hodowlę laboratoryjną małych fragmentów tkanek nazywanych organoidami. Naukowcy wytworzyli organoidy bardzo podobne do wielu organów, od wątroby i nerek aż po mózg. Czego naukowcy mogą się dowiedzieć hodując organoidy? Jak pomagają one w medycynie regeneracyjnej?
Pozyskiwanie ludzkiej tkanki do badań nad rozwojem i chorobami może być trudne z powodu ograniczonej dostępności lub barier etycznych. Organoidy są dla naukowców nową alternatywą i okazją do bardziej zaawansowanych badań.
Badacze mogą używać organoidów do analizowania skomplikowanych układów oraz interakcji komórkowych w trójwymiarze, co nie jest możliwe w przypadku większości innych modeli eksperymentalnych.
Organoidy są już używane do badań nad chorobami, do wykrywania nowych leków oraz, aby dowiedzieć się jak komórki grupują się w wyspecjalizowane narządy.
Badacze chcą dowiedzieć się jak tworzyć organoidy odpowiadające wielu rożnym tkankom ludzkim. Procedury tworzenia organoidów są wciąż we wczesnym stadium rozwoju i wielu tkanek nie udało się jeszcze wytworzyć w hodowlach organoidów.
Kluczem do hodowania organoidów w laboratorium jest ustalenie warunków koniecznych do ich rozwoju, takich jak naczynia do hodowli bądź zewnętrzne czynniki wzrostu.
Organoidy są badane pod kątem przydatności do tworzenia nowych, zdrowych komórek i tkanek w celu ulepszenia leczenia regeneracyjnego.
Organoidy wytworzone z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) pobranych od pacjentów mogłyby pozwolić na spersonalizowane leczenie dzięki możliwości uprzedniego przetestowania terapii na organoidach, a nie bezpośrednio na pacjentach.
Większość organoidów zawiera tylko część komórek obecnych w prawdziwym organie. Wytworzenie w pełni funkcjonalnych, stabilnych tkanek będzie wymagało nowych metod, które pozwolą na wprowadzenie innych układów komórkowych, np. układu naczyniowego.
Proces replikacji chorób w organoidach nie zawsze jest łatwy, ale ma on potencjał do ujawnienia aspektów chorób, które wcześniej nie były zauważone.
Mimo, że organoidy oferują naukowcom wiele zalet i możliwości, mają one również pewne ograniczenia, przez które nie będą w stanie zupełnie zastąpić innych systemów eksperymentalnych.
Organoidy to grupy komórek wyhodowanych w laboratorium, które organizują się w struktury komórkowe podobne do tych, jakie możemy znaleźć w różnych organach. Nazwa “organoid” znaczy “organopodobny”. W wielu przypadkach, poszczególne struktury komórkowe nadają organom właściwości podobne do organów, które mają przypominać. Przykładowo, organoidy mózgowe kształtują warstwy aktywnie przewodzących komórek nerwowych (neuronów), a nawet obszary mózgu podobne do tych w mózgu ludzkim. Organoidy, które są obecnie tworzone przez naukowców mogą pod wieloma względami przypominać prawdziwe organy, jednakże wciąż znacznie odbiegają od w pełni rozwiniętych narządów. Organoidy jelitowe mają wiele struktur komórkowych podobnych do wyściółki jelitowej, ale są one zazwyczaj wielkości ziarna groszku, a nie tak duże jak zawiły przewód pokarmowy. Pomimo, że są małe, albo mają tylko niektóre cechy prawdziwych organów, naukowcy uczą się bardzo wiele dzięki organoidom. Wielu naukowców wierzy, że organoidy to “nowa generacja” biologicznych narzędzi w badaniach naukowych, wynajdowaniu leków oraz medycynie.
Komórki macierzyste stanowią początkową fazę w tworzeniu organoidów. Naukowcy używają różnych typów komórek macierzystych w zależności od tego, jaki organoid próbują wytworzyć. Badacze zaczęli już używać pluripotencjalnych komórek macierzystych, takich jak embrionalne komórki macierzyste (ESC) oraz indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC), a także komórki macierzyste, które znajdują się w organach każdego człowieka – tzw. tkankowe komórki macierzyste lub dorosłe somatyczne komórki macierzyste (ASC). Poszczególne typy komórek macierzystych mają różne zdolności, ograniczenia oraz potrzeby do wzrostu. (Dowiedz się więcej o różnych komórkach macierzystych). Aby wytworzyć organoidy, badacze zapewniają komórkom macierzystym specjalne warunki, które mogą wymagać szczególnej odżywki, czynników wzrostu, cząsteczek sygnalizacyjnych oraz fizycznego środowiska (np. materiału białkowego, na którym mogą wzrastać). Procedury hodowania organoidów często wymagają podawania poszczególnych składników w konkretnej kolejności oraz w wyznaczonym czasie. Warunki hodowli mają sprzyjać namnażaniu komórek, a także ich przemianie (różnicowaniu) w rodzaje komórek typowych dla organu, które dany organoid ma reprezentować. Co więcej, komórki tworzone przez komórki macierzyste zdolne są do samoorganizacji w struktury komórkowe. Na przykład, organoidy nerkowe powstają z komórek, o właściwościach podobnych do komórek nerki, które organizują się tak, aby ukształtować ‘kanaliki’, dokładnie takie jakie znaleźć można w nerce. Najtrudniejszym aspektem tworzenia organoidów jest znalezienie odpowiednich warunków sprzyjających i stymulujących komórki macierzyste. (To nie jest łatwe zadanie. Należy zauważyć, że proces ten może trwać nawet przez lata). Kiedy odpowiednie warunki są już zapewnione komórkom macierzystym, te namnażają się, różnicują, tworzą struktury komórkowe i ostatecznie same formują organoidy.
Badacze tworzą i używają organoidów z kilku powodów. Proces wytwarzania organoidów jak najbardziej podobnych do prawdziwych organów pozwala badaczom zrozumieć jakie zewnętrze czynniki nakłaniają komórki macierzyste do tworzenia poszczególnych organów we wczesnym etapie rozwoju człowieka. Jednakże, to dopiero początek. Kiedy naukowcy wykażą już podobieństwa między organoidem a organem, mogą użyć danego organoidu do badania wielu innych aspektów rozwoju organu, jego chorób, sygnalizacji komórkowych itd. Poza zewnętrznymi sygnałami, jakie oddziałują na komórki macierzyste, badacze analizują wiele wewnętrznych sygnałów, białek i genów koniecznych, aby komórki wytworzyły cały organ. Te czynniki są ważne, kiedy próbujemy zrozumieć jak mutacje genetyczne mogą prowadzić do genetycznych (dziedzicznych) chorób. Na przykład, badania przy użyciu organoidów jelitowych wytworzonych z materiałów uzyskanych od sześciu pacjentów z choroba jelita (atrezja jelita) doprowadziło do wykrycia genu odpowiedzialnego za kształtowanie się jelita. Badanie to pokazało, że sześcioro pacjentów nosiło mutacje w pojedynczym genie, które spowodowały, że ich jelitowe komórki macierzyste były niezdolne do produkcji zdrowych organoidów w laboratorium. Ponadto, badacze mogli zidentyfikować jakie ścieżki sygnałowe w komórkach macierzystych były zmienione przez zmutowane białka. Organoidy pozwalają naukowcom na badanie chorób zakaźnych metodami, które wcześniej nie były możliwe. Organoidy mózgowe są używane do badań jak wirus ZIKA wpływa na rozwój mózgu i prowadzi do małogłowia. Takie badania nie byłyby możliwe przy użyciu ludzkiej tkanki mózgowej z oczywistych powodów natury etycznej. W innych przypadkach organoidy oferują możliwości badania infekcji wirusowych, bakteryjnych oraz pasożytniczych sposobami wcześniej niedostępnymi. Jednym z przykładów jest badanie nad cyklem życiowym pasożyta Cryptosporidium, który powoduje choroby biegunkowe zwane kryptosporydiozą.
Pomimo, iż istnieją obecnie organoidy przypominające ponad dwanaście różnych organów, należy pamiętać, że ich wytwarzanie to metoda wciąż relatywnie młoda. Badacze dalej opracowują nowe sposoby na tworzenie organoidów przypominający wiele innych tkanek i organów. Starania te będą wieloletnie. Poza zwiększeniem różnorodności organoidów, naukowcy stale starają się wytworzyć organoidy jak najlepiej reprezentujące prawdziwe organy. Im bardziej organoidy upodobnione są do prawdziwych tkanek poszczególnych narządów, tym precyzyjniejsze stają się dane zdobywane przez naukowców.
Obecnie tkanki i organy wytworzone w laboratoriach do użycia w przeszczepach medycznych to wciąż science fiction. Jednakże, organoidy mogą być pierwszym krokiem w tym kierunku. Jeśli tkanki hodowane w laboratorium miałyby być użyte w medycynie, konieczne będzie upewnienie się, że są one wysoce podobne (lub lepiej identyczne) jak prawdziwe narządy. Według naukowców, jedną z głównych zalet tkanek wychodowanych w laboratorium jest możliwość wykorzystania narzędzi genetycznych w celu usunięcia mutacji genetycznych, które pierwotnie spowodowały chorobę pacjenta. Oczywiście istnieją problemy etyczne dotyczące edytowania kodu genetycznego, ale metoda ta mogłaby zapewnić pacjentom długotrwałe rozwiązanie medyczne. Badacze testują obecnie bezpieczeństwo i niezawodność przeszczepiania tkanki organoidowej u zwierząt. Możliwe, że miną lata zanim ta metoda zostanie wypróbowana u ludzi i upłynie jeszcze więcej lat zanim w pełni funkcjonalne organy będą hodowane do przeszczepów.
Badania nad nowotworami to kolejna dziedzina, w której używa się organoidów. Wiele nowotworów posiada komórki, które w zachowaniu przypominają komórki macierzyste, więc badacze mogą używać ich do hodowania organoidów nowotworowych. Badacze używają komórek od pacjentów z różnymi nowotworami do hodowli organoidów, które w warunkach laboratoryjnych rozwiną guzy, tak jak dzieje się to w przypadku raka prostaty. Możliwość hodowania mini-guzów, które modelują różne nowotwory pozwala naukowcom na szczegółową analizę rozwoju guza. Badacze chcą poznać geny, białka oraz ścieżki sygnałowe wykorzystywane przez komórki rakowe, aby odkryć nowe metody powstrzymania nowotworu przed rozrostem czy przerzutami (przemieszczaniem się w ciele). Obierając nieco inny kierunek, naukowcy badają także jakie mutacje genowe powodują, że guzy występują w zdrowych organoidach. Ta metoda jest też bardzo przydatna w identyfikacji genów i ścieżek sygnałowych ważnych w rozwoju nowotworu. Może ona także sugerować jakie geny chronią narządy przed nowotworami oraz jakie dysfunkcje mogą prowadzić do raka.
Ostatnie zagadnienie, w którym naukowcy używają organoidów to próba ogólnego przyspieszenia prac badawczych. Większość organoidów jest mała, co pozwala badaczom łatwo wyhodować ich wiele na raz. Połączenie tej zalety z nowoczesnymi, wysokowydajnymi technologiami przesiewowymi pozwala badaczom testować i porównywać setki materiałów jednocześnie. Ponieważ organoidy mogą reprezentować zdrowe i chore narządy jak również nowotwory, te wysokowydajne badania mogą stać się bardzo skutecznymi narzędziami badaczy do szybkiego testowania nowych leków, terapii medycznych i nie tylko.
Prawdopodobnie istnieje dużo więcej sposobów, w jaki organoidy mogą wpłynąć na naukę i medycynę, wielu z nich jeszcze nie odkryliśmy.
The Ethics of Brain Organoids - interview with bio-ethicist Sarah Chan
Sanger Institute - Organoids: Cancer in 3D – a YouTube video on cancer organoids
ISSCR – Organoids: What is the Science and What are the Clinical Applications? – a YouTube video of a lecture on brain organoids
TEDx Talk – How We Are Growing Organs in the Lab? – a YouTube video by Dr Jim Wells
ASCB – What’s it all about? Organoids – an article on organoids by the American Society for Cell Biology
HSC – Organoids: A new window into disease, development and discovery – an article on organoids by Harvard Stem Cell Institute
Use and application of 3D-organoid technology – A short review of scientific literature that discusses organoids and their use in research and medicine
Tę broszurę stworzył Ryan Lewis, a zrecenzował w 2019 roku Jürgen Knoblich.
Prawa autorskie do zdjęć: Instytut Biotechnologii Molekularnej Austriackiej Akademii Nauk (IMBA)
Na język polski przetłumaczyła Nina Kozar.