Humani organoidi – I deo
Korišćenje animalnih modela u biomedicinskim istraživanjima, poput miševa, kvasca, voćne mušice (Drosophila melanogaster), postalo je klasičan alat za izučavanje razvića embriona, humanih bolesti, efikasnosti potencijalnih lekova i faktora prevencije mnogih maligniteta.
Prikaz najčešćih model organizama koji se koriste u biomedicinskim istraživanjima,
Ovi modeli, kao i 2D ćelijske kulture i ljudski organoidi, imaju relativne prednosti i ograničenja.
Izvor ilustracije:
https://www.nature.com/articles/s41580-020-0259-3/figures/1
Međutim, sa napretkom istraživanja, postepeno se uočavaju ograničenja primene animalnih modela, usled bioloških procesa koji su specifični samo za čoveka, poput metaboličkih procesa, razvića mozga i različitog odgovora organizma na dejstvo lekova. Osim toga, ranije poznata metoda korišćenja pluripotentnih stem ćelijskih linija (eng. Pluripotent Stem Cells) miševa u istraživanju, značila je iskorišćavanje blastomera, a samim tim i ubijanje embriona, što je u pogledu ljudskih embriona, dovelo do etičkih nesuglasica.
Gajenje organa
Otkrićem indukovanih pluripotentnih stem ćelija (eng. Induced Pluripotent Stem Cell, iPSC) i adultnih stem ćelija (eng. Adult Stem Cells, AdSC), omogućeno je, po prvi put, dizajniranje laboratorijskih modela humanih organa u svrhe specifičnih i verodostojnijih istraživanja. Humane iPSC nastaju reprogramiranjem diferenciranih fibroblasta adulta čoveka, nakon čega se podvrgavaju promeni ekspresije transkripcionih faktora koji izazivaju njihovu diferencijaciju u jedan tip ćelija, npr. neurone. Nakon toga, moguće je kontrolisano gajenje u 2D kulturi, a zatim i obrazovanje in vitro 3D organa sa različitim tipovima ćelija i njihovim međusobnim interakcijama, kroz nekoliko nedelja ili meseci. Ovi laboratorijski napravljeni organi, koji prilično verodostojno imitiraju in vivo organe u svojoj fiziologiji, nazivaju se organoidi.
Generisanje organoida iz dva glavna izvora matičnih ćelija: adultne stem ćelije specifične za organ (ASC) i pluripotentne stem ćelije (PSC).
Ove matične ćelije se zatim diferenciraju uz dodavanje faktora rasta u medijum
Izvor ilustracije:
https://cytosmart.com/resources/resources/organoids-definition-culturing-methods-and-clinical-applications
Organoidi napravljeni od humanih AdSC, za razliku od iPSC, jednostavnije su strukture, čine ih ćelije izolovane iz epitela in vivo organa od interesa, koje su dalje ugrađene u ekstracelularni matriks sa tačno definisanim i specifičnim faktorima razvoja. Za organoide stvorene na ovakav način, korišćena su tkiva mnogih endodermalnih struktura (tanko crevo, pankreas, pluća, prostata, endometrijum). Međutim, ovde postoje ograničenja, jer se neretko može desiti da je tkivo nepristupačno za biopsiju ili je nepoznata sredina za njegovo gajenje in vitro.
Neophodni faktori signalizacije pri obrazovanju organoida
Izvor ilustracije:
https://www.nature.com/articles/s41580-020-0259-3
Prilikom in vivo razvića određenih organa, kao što je jetra, pored primarnih ćelija od kojih je ona izgrađena, hepatocita, neophodno je i prisustvo drugih tipova ćelija usled ćelijskih komunikacija, pa se iz tog razloga, isti uslovi moraju obezbediti i u in vitro gajenju organa. Pri tome, uslovi nikada ne mogu biti apsolutno identični in vivo uslovima, ali se i dalje crpe potencijali mnogih faktora rasta za stvaranje maksimalne tačnosti rezultata.
Postoje tri koraka koja se moraju ispoštovati pri svakom in vitro formiranju organa, koja su uspostavljena, a više ili manje primenljiva, na osnovu razvića in vivo modela miša. Pre svega, korišćenje morfogena i faktora signalizacije je neophodno, kako bi se uspostavio oblik agregata koji formiraju stem ćelije pri diferencijaciji. Drugo, neophodno je prisustvo faktora, koji će omogućiti pravilno razviće fenotipa tih ćelija pri diferencijaciji. Kao treći kriterijum formiranja, ćelije se moraju gajiti u medijumu koji omogućava njihove deobe u tri dimenzije, što se može postići npr. ugrađivanjem kulture ćelija u 3D matriks. Ekstracelularni matriks, odnosno njegove komponente, mogu imati uticaj na krajnje rezultate uspešnosti razvoja organoida, ali se u tom polju beleži značajan napredak.
Organoidi dobijeni iz različitih tkiva
Izvor ilustracije:
https://www.nature.com/articles/s41578-021-00279-y/figures/1
Benefiti i nedostaci organoidnih modela
Da bi se postigla maksimalna sličnost in vitro i in vivo razvoja organa, obrazovani su organoidi krvnih sudova zbog vaskularizacije, ali u tom polju postoje mnoge prepreke. Prisustvo krvnih sudova je naročito značajno pri istraživanjima vaskularnih bolesti i dijabetesa. Jedan od većih problema je nedostatak međuorganskih komunikacija, a s obzirom da je organizam jedna funkcionalno povezana celina, rezultati istraživanja variraju. Moguće rešenje je povezivanje većeg broja organoida u svrhu posmatranja njihove komunikacije.
Iako postoje prethodno navedeni protokoli koji se moraju poštovati pri gajenju organoida, usled razlike u tkivima individua i ostalih činilaca, postoje odstupanja od drugih protokola, tako da standardizacija nije moguća.
Organoidi reprezentuju humanu fiziologiju, usled čega se poklanja izuzetna pažnja njihovom istraživanju. Za relativno kratko vreme, iPSC i AdSC, mogu se diferencirati i pomoću genetičkog inženjerstva izmeniti u željene svrhe. Jedna velika prednost primene organoida je i personalizovani metod izučavanja humanih patologija, kancera i lekova, jer se vrše ispitivanja na tkivima poreklom od samih individua.
Više o primeni organoida u istraživanju kancera, imaćete priliku da saznate u narednom delu teksta o organoidima.
Izvori:
