Органоиды открывают новые горизонты в исследованиях клеток, тканей и органов

Тканевая инженерия, редактирование генов, органы на чипах: нет никаких сомнений в том, что клеточные культуры и клеточные линии изменили биологию и медицину.

Но по мере того, как наука приближается к пределу возможностей одного или двух типов клеток, исследователи обращаются к органоидам — новому инструменту, который может имитировать окружающую среду тела и имитировать не только клетки, но и ткани и органы.

«Одним из самых замечательных событий за последние 10 лет стало открытие, произошедшее благодаря совместной работе буквально сотен лабораторий по всему миру, что мы можем культивировать практически любой тип клеток вне организма, используя этот набор органоидных инструментов», — сказал Эндрю Эвальд, который возглавляет кафедру клеточной биологии Медицинской школы Джонса Хопкинса.

Уже более столетия исследователи выращивают клетки в лабораториях для изучения болезней, токсинов и методов лечения. Но, как и фотокопирование одной страницы книги, культивирование клеток рассказывает лишь часть истории.

Органоиды, которые содержат несколько взаимодействующих типов клеток, больше похожи на краткий обзор. Разница между культурами и органоидами такая же, как разница между огурцом и салатом или свечой зажигания и двигателем.

«Они похожи на органы: структурные особенности клеток в этих трехмерных структурах очень похожи на то, как они выглядели бы внутри тела», — сказал Эвальд.

Исследование Эвальда основано на работе пионеров в этой области, которые в конце 1980-х годов показали, что эпителиальные клетки молочной железы, выращенные на трехмерном белковом каркасе, могут образовывать протоки и даже производить молоко — процесс, который трудно изучить на живых людях.

«Мы можем наблюдать, как новые трубочки зарождаются, удлиняются, раздваиваются и поляризуются до состояния зрелой дифференцировки — и все это в течение нескольких дней в лаборатории», — сказал Эвальд.

Эвальд также изучает рак и метастазы. Но раковым клеткам могут потребоваться недели или годы, чтобы сформировать новые опухоли в жизненно важных органах, поэтому Эвальд использует органоиды для моделирования различных стадий процесса в лаборатории.

Это окно, которое органоиды открывают в сложные клеточные процессы, может помочь ученым увидеть, как клетки развиваются, изменяются и умирают — даже в сложном, специализированном мире мозга.

«Мы действительно используем их для изучения аспектов развития нервной системы и нейродегенеративных заболеваний, уделяя особое внимание болезни Альцгеймера», — сказал молекулярный биолог ASU Дэвид Брафман.

Исследователи могут выращивать органоиды либо из взрослых стволовых клеток, которые создают клетки, специфичные для их собственного типа ткани, либо из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS), которые — при правильном подталкивании с использованием определенных культур и факторов роста — могут стать любым типом клеток в организме.

Какой тип исследования выберут исследователи, зависит от их потребностей и целей.

Лаборатория Брафмана вводит различные факторы риска заболеваний в iPS-клетки, взятые у здорового человека. Поскольку эти клетки генетически идентичны, они обеспечивают более четкую причинную связь между факторами риска и заболеваниями.

«Это обеспечивает гораздо больший контроль, вместо того, чтобы брать набор iPS-клеток от группы здоровых пациентов и группы больных пациентов, где вы не только сравниваете болезненное состояние со здоровым состоянием, но также сравниваете различия в генетическом фоне», — сказал Брафман.

Полезность органоидов частично заключается в их способности создавать целые районы, в которых обитают разнообразные взаимодействующие типы клеток. Чтобы разобраться в этой сложной среде, исследователи используют специальные красители, окрашивающие типы клеток в разные цвета.

«И когда мы на самом деле посмотрим на них, мы увидим, что у них есть все типы клеток ткани, из которой мы собрали», — сказал биолог раковых клеток из ЮА Кертис Торн.

Представьте себе органоид в виде студенистой капли, усыпанной пятнами, похожими на изюм, мало чем отличающимися от невкусного салата из амброзии. Рецепт прост, если не прост: начните со здорового или больного образца; добавить ферменты; измельчить, чтобы отделить нужные ячейки; поместите их в трехмерный белковый каркас; добавить питательный суп; и оставьте расти в камере с климат-контролем.

«Через несколько недель мы увидим, как вырастают эти небольшие структуры, которые мы называем органоидами», — сказал Торн. «И когда они станут достаточно большими, мы сможем разбить их и ресуспендировать в каркасе, и они продолжат расти и размножаться».