Действайки като миниатюрни органи в лабораторен съд, органоидите подхранват различни изследователски области - от онкологията до еволюционната биология

Органоидите са 3D модели на клетъчни култури, които отразяват по-точно структурната и функционалната сложност на органите in vitro, отколкото традиционните 2D методи за клетъчни култури.

Обикновено получени от стволови клетки, органоидите могат да бъдат генерирани с помощта на поддържаща матрица и коктейл от специфични растежни фактори.

Създаването на първите органоиди през 2009 г. от чревни стволови клетки разкри множество нови възможности в биологичните изследвания.

Сега изследователите използват тези миниоргани в редица области, за да разберат биологичните функции, да моделират заболявания и да тестват нови терапии.

Панкреасни органоиди за разработване на прецизна медицина

Докато отглеждането на органоиди от силно пролифериращи () тъкани, като стомаха и черния дроб, е сравнително лесно, генерирането им от панкреаса е много по-голямо предизвикателство. По време на работата си като постдокторант в Института „Хубрехт“ биологът по стволови клетки Меритксел Хух (Meritxell Huch) успява да създаде първите панкреасни органоиди от мишки. Чрез по-нататъшно разработване на протоколи за визуализация на триизмерната тъкан, Хух придобива ценни познания за тяхната архитектура. Панкреатичните органоиди на Хух сега са обещаващ начин за моделиране на заболявания и генериране на прецизни лекарства за лечение на панкреатични заболявания.

Изследователите оцветяват органоидите на панкреаса, за да изследват клетъчните структури с фалоидин (червен) за актин, Hoechst (син) за клетъчни ядра и Krt19 (зелен) за стволови клетки на панкреаса. Кредит: NIKITAS GEORGAKOPOULOS, UNIVERSITY OF CAMBRIDGE
Справка:

    Huch M, et al. EMBO J. 2013;32:2708–2721.
    Boj SF, et al. Cell. 2015;160(1-2):324-338.

Органоиди за рак на гърдата: Тъкан на млечната жлеза, която отделя мляко

Изследователите често използват органоиди, получени от млечни жлези и тумори, за изучаване на рака на гърдата, но досега не можеха да създават модели за развитието на млечната тъкан. Използвайки специфична комбинация от химикали и растежни фактори, генетикът на рака Шиам Шаран (Shyam Sharan) и неговият екип от Националния институт по рака вече са създали 3D органоиди на млечната жлеза, които отделят мляко, от ембрионални стволови клетки на мишка. След като потвърждават, че органоидите са специфични за линиите на млечната жлеза, и ги подтикват да отделят мляко, екипът ги присажда на мишки, където те образуват функциониращи млечни жлези. Тези органоиди биха могли да позволят изучаването на мутации, причиняващи рак, в млечната тъкан, като намалят необходимостта от използване на животни.

Изследователите са използвали миши ембрионални стволови клетки, за да генерират органоиди на млечната жлеза, включително клетки на млечната линия (зелено) и луминални епителни клетки (пурпурно). Кредит: Sounak Sahu

Справка:

    Duarte, AA et.al, BRCA-deficient mouse mammary tumor organoids to study cancer-drug resistance. Nat Methods. 2018;15(2):134-140.
    Spina E & Cowin P, Embryonic mammary gland development. Semin Cell Dev Biol. 2021;114:83-92
    Sahu, S et.al, Spatiotemporal modulation of growth factors directs the generation of multilineage mouse embryonic stem cell-derived mammary organoids. Dev Cell. 2024;59(2):175-186.e8.
    Lee J et.al, Hair follicle development in mouse pluripotent stem cell-derived skin organoids. Cell Rep. 2018;22(1):242-254.  
    Lee J et.al, Hair bearing skin generated entirely from pluripotent stem cells. Nature. 2020;582(7812):399-404
    Al Chalabi M et.al, Physiology, Prolactin. [Updated 2023 Jul 24]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024

Феталните органоиди позволяват изучаването на вродени заболявания

Моделите за изучаване на развитието на органите и прогресията на вродените заболявания при човешките ембриони са много необходими, но генерирането на фетални органоиди до голяма степен е възпрепятствано от етични и законови ограничения, свързани с вземането на човешки тъкани. В едно революционно проучване биолози на стволови клетки от Университетския колеж в Лондон успяват да създадат фетални органоиди от клетки, открити в амниотични и трахеални течности. Този метод позволява на изследователите да събират тъкани по минимално инвазивен начин и да генерират фетални органоиди за изследване на вродени състояния, докато плодът е все още в утробата, като потенциално могат да ги използват за създаване на персонализирани лекарства и извършване на тестове за наркотици.

Изследователите са генерирали различни епителни органоиди, включително белите дробове, използвайки прогениторни клетки, открити в амниотичната течност. Кредит: Giuseppe Calà, Paolo De Coppi, Mattia Gerl

Справка:

    Zani A, et al. Congenital diaphragmatic hernia. Nat Rev Dis Primers. 2022;8(1):37.
    Politis MD, et al. Prevalence and mortality in children with congenital diaphragmatic hernia: A multicountry study. Ann Epidemiol. 2021;56:61-69.e3.
    Calà G, et al. Primary human organoids models: Current progress and key milestones. Front Bioeng Biotechnol. 2023;11:1058970.
    Gerli MFM, et al. Single-cell guided prenatal derivation of primary fetal epithelial organoids from human amniotic and tracheal fluids. Nature Medicine. 2024;30(3):875-887.
    Kim J, et al. Human organoids: Model systems for human biology. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020;21(10):571-584.
    Underwood MA, et al. Amniotic fluid: Not just fetal urine anymore. J Perinatol. 2005;25(5):341-348.
    Kunisaki SM, et al. Human induced pluripotent stem cell-derived lung organoids in an ex vivo model of the congenital diaphragmatic hernia fetal lung. Stem Cells Transl Med. 2021;10(1):98-114.

CRISPR органоиди в изследванията на невроразвитието

Изследователите използват CRISPR органоиди, за да разберат развитието на мозъка и разстройството от аутистичния спектър (ASD-autism spectrum disorder), за което се смята, че се появява в началото на развитието на мозъка на плода. Неврологът и генетик Юрген Кноблих (Jürgen Knoblich) и колегите му от Института по молекулярна биотехнология във Виена използват CRISPR, за да нарушат редица гени, свързани с ASD, в стволови клетки, след което изследват как редактираните клетки се развиват в мозъчни органоиди. Екипът разкрива връзките между утвърдени генетични принципи и някои по-слабо разбрани пътища на развитие, подчертавайки нови насоки за тази област на изследване.

Справка:

    Zhou Y, et al. Genetics of human brain development. Nat Rev Genet. 2024;25(1):26-45.
    Li C, et al. Single-cell brain organoid screening identifies developmental defects in autism. Nature. 2023;621(7978):373-80.
    Dixit A, et al. Perturb-Seq: Dissecting molecular circuits with scalable single-cell RNA profiling of pooled genetic screens. Cell. 2016;167(7):1853-1866.e17.
    Paulsen B, et al. Autism genes converge on asynchronous development of shared neuron classes. Nature. 2022;602(7896):268-73.
    Meng X, et al. Assembloid CRISPR screens reveal impact of disease genes in human neurodevelopment. Nature. 2023;622(7982):359-66.

Ендометриалните органоиди позволяват изследвания на синдрома на Ашерман

Редки гинекологични състояния, като синдрома на Ашерман, вече могат да бъдат точно моделирани с ендометриални органоиди. Клиничният изследовател, акушер-гинеколог Карлос Симон Валес (Carlos Simón Vallés) и неговият екип от Университета във Валенсия изследват патофизиологията на състоянието, сравнявайки органоиди, получени от клетки на пациенти, с такива, получени от здрави хора. Получените ендометриални органоиди демонстрират ключови разлики между групите, като например броя на наличните специфични клетъчни типове и нарушените взаимодействия между клетъчните типове в органоидите със синдрома на Ашерман. По-нататъшните изследвания, използващи този модел, биха могли да предоставят възможности за лечение и превенция на заболяването.

Справка:

    Critchley HOD, et al. Physiology of the endometrium and regulation of menstruation. Physiol Rev. 2020;100(3):1149-79.
    Cousins FL, et al. Endometrial stem/progenitor cells-their role in endometrial repair and regeneration. Front Reprod Health. 2021;3:811537.
    Santamaria X, et al. Decoding the endometrial niche of Asherman’s Syndrome at single-cell resolution. Nat Commun. 2023;14(1):5890.

Туморните органоиди предсказват реакциите на лекарствата при високопроизводителни скрининги

Туморните органоиди предлагат алтернатива на използването на цели животни при скрининга на нови кандидати за лекарства. След като се преодоляват пречките при използването на автоматизирани устройства за обработка на течности за високопроизводителни лекарствени скрининги на органоиди върху микроклетъчни плаки, мултидисциплинарен екип от Калифорнийския университет в Лос Анджелис разработва метод за наблюдение в реално време на реакциите на органоидите към лекарства.

Макар че тези органоиди са получени от ракови клетъчни линии и не пресъздават точно сложността на туморната микросреда, екипът планира да изпробва подхода си, като използва органоиди, получени от пациенти.

Справка:

    Adashi EY, et al. The FDA Modernization Act 2.0: Drug testing in animals is rendered optional. Am J Med. 2023;136(9):853-854.
    Zushin PJH, et al. FDA Modernization Act 2.0: Transitioning beyond animal models with human cells, organoids, and AI/ML-based approaches. J Clin Invest. 133(21):e175824.
    Tebon PJ, et al. Drug screening at single-organoid resolution via bioprinting and interferometry. Nat Commun. 2023;14(1):3168.

Органоидите на костенурков черен дроб разкриват адаптацията към суровата среда

Органоидите могат да се използват и за разбиране на адаптацията на животните към суровите условия на околната среда. Никол Валенсуела (Nicole Valenzuela), еволюционен биолог в Държавния университет на Айова, създава първите органоиди от костенурки, за да проучи как се е приспособила петнистата блатна костенурка (Chrysemys picta). за да оцелява при ниски температури и продължителни периоди без кислород. Използвайки стволови клетки, взети от черния дроб на ембрионални, излюпени и възрастни петнисти костенурки, както и на два други вида, екипът създава органоиди за сравнение между жизнените етапи и видовете. Въпреки че все още не са тествали как органоидите реагират на екстремни условия на околната среда, този модел може да се използва заедно с CRISPR редактирането на гени и други инструменти за изследване на въздействието на различни гени върху адаптацията на костенурките.

Никол Валенсуела, еволюционен биолог от Държавния университет на Айова, е изучавала костенурки повече от 30 години и се интересува от гените, които регулират определянето на пола, аноксията и толерантността към замръзване. Кредит: Christopher Gannon, Iowa State University

Справка:

    Storey KB, Storey JM. Molecular physiology of freeze tolerance in vertebrates. Physiol Rev. 2017;97(2):623-665.
    Shaffer HB, et al. The western painted turtle genome, a model for the evolution of extreme physiological adaptations in a slowly evolving lineage. Genome Biol. 2013;14(3):R28.
    Zdyrski C, et al. Establishment and characterization of turtle liver organoids provides a potential model to decode their unique adaptations. Commun Biol. 2024;7(1):218.
    Bista B, Valenzuela N. Turtle insights into the evolution of the reptilian karyotype and the genomic architecture of sex determination. Genes. 2020;11(4):416.
    Chandra L, et al. Derivation of adult canine intestinal organoids for translational research in gastroenterology. BMC Biol. 2019;17(1):33.
    Dinkelacker SA, et al. Anoxia tolerance and freeze tolerance in hatchling turtles. J Comp Physiol B. 2005;175(3):209-217.

През последните 15 години изследователите използват органоиди, за да получат ценни сведения за структурата, функцията и развитието на органите. Като пресъздават голяма част от сложността на човешките органи и тумори in vitro, органоидите предоставят важни възможности за тестване на лекарства и моделиране на заболявания, без да се използват цели животни. Биолозите продължават да разработват различни видове органоиди и допълнителни технологии за визуализация, генетично редактиране и високопроизводителен скрининг на тези модели.

Източник: The Era of Organoids: Disease Modeling, Developmental Research, and Drug Response Prediction, Rebecca Roberts, The Scientist