Органоиды: обзор применения
Имея всего несколько миллиметров в поперечнике, скопления культивируемых клеток, которые самоорганизуются в трехмерные структуры, могут выглядеть как крошечные капли. Но эти ткани, называемые органоидами, позволяют ученым изучать биологические процессы, связанные со здоровьем и заболеваниями, и находить новые потенциальные стратегии лечения.
Органоиды могут имитировать анатомические и функциональные особенности самых разных тканей человека, а для некоторых типов тканей могут быть эффективнее других моделей, например, клеточных линий или животных моделей. Трехмерная организация позволяет охватить большую часть сложных характеристик органов и клеточных взаимоотношений, которые могут иметь большое значение для живых тканей пациента. А органоиды, созданные из клеток пациентов, позволяют создать индивидуализированные модели болезни.
Исследователи из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали технику выращивания различных видов органоидов. За последние несколько лет эти методы настолько усовершенствовались, что позволили исследователям получать органоиды надежным и воспроизводимым способом. Это сделало их эффективным исследовательским инструментом, который предлагает множество преимуществ.
Органоиды гораздо более удобны для лабораторных тестов, чем целые органы или животные модели. Их можно модифицировать с помощью генной инженерии или обработать химическими веществами, чтобы исследовать работу определенных генов, белков или сигнальных путей. Они также хорошо подходят для визуализации с высоким разрешением и одноклеточной геномики, раскрывая потенциал для научных открытий.
Ниже приведены три примера исследовательских работ, в которых производились и использовались различные типы органоидов для поиска новых мишеней для терапии и выявления механизмов заболевания.
Органоиды мозга для изучения формирования нервной системы
Для того чтобы понять развитие и функции человеческого мозга, особенно коры головного мозга, контролирующий сложный процесс поведения, исследования на грызунах и клеточных линиях не могут быть использованы.
Паола Арлотта и ее группа из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института решили использовать с этой целью органоиды человеческого мозга. В этих органоидах отсутствуют кровеносные сосуды и узнаваемые структуры или слои мозга, но на ультраструктурном уровне ткань выглядит почти неотличимой от ткани реального мозга с большинством основных типов клеток, связями между нейронами и даже активными схемами.
Более того, если органоиды мозга выращены из клеток с вариантами генов, которые были связаны со сложными психическими расстройствами или нарушениями нервного развития, такими как шизофрения или аутизм, они могут воспроизводить эффекты этих генетических изменений и быть более информативной моделью, чем другие.
Арлотта и ее группа посвятили много лет совершенствованию протоколов создания органоидов и разработке методов выращивания тканей на более длительные периоды (от нескольких месяцев до нескольких лет), чтобы лучше представить более поздние стадии созревания мозга. В статье 2019 года, опубликованной в журнале Nature, исследователи доказали, что могут генерировать долго растущие органоиды, которые содержат полный спектр типов клеток коры, даже если они производятся из разных стволовых клеток и культивируются в разных условиях. Главный успех работы в том, что органоиды могли воспроизводить корковые клетки, создавая каждый раз один и тот же набор клеток в каждом органоиде.
Органоид мозга после 180 дней культивирования. Он содержит глиальные клетки (фиолетовый цвет) и астроциты (зеленый и красный цвета).
Надежные методы создания органоидов мозга позволили группе Арлотты использовать их для изучения биологических механизмов нарушений развития нервной системы, включая аутизм. Аутизм чаще всего связан со сложным генетическим фоном, в котором различные варианты генов, вероятно, способствуют развитию расстройства. Но в редких случаях развитие признаков, связанных с аутизмом, может быть связано с одной или несколькими конкретными мутациями. Группа Арлотты создает органоиды, несущие такие мутации, связанные с аутизмом, а затем сравнивает их с органоидами, выращенными из тех же клеточных линий, но без мутаций.
Этот тип работы является важным для понимания того, как генетические изменения влияют на работу цепей мозга с течением времени. Исследователи также могут сравнивать органоиды мозга, содержащие одну и ту же мутацию при разном генетическим фоне, что позволит оценить его влияние на проявление расстройства. Когда-нибудь, возможно, органоиды мозга, полученные из клеток людей с аутизмом, смогут прояснить широту и разнообразие лежащих в основе генетических особенностей.
Таким образом, органоиды не предназначены для замены мышей и других модельных систем. Но по некоторым вопросам они помогают изучить то, что ранее было недоступным: возможность наблюдать развитие болезни в тканях человека.
Органоиды почек: платформа для создания лекарств
Почки уступают по сложности структуры разве что человеческому мозгу. Группа Анны Греки из Женской больницы Бригхема и Гарвардской медицинской школы продемонстрировала, что органоиды почек могут служить воспроизводимыми высококачественными репрезентациями почек человека. В статье, опубликованной в прошлом году в журнале Nature Communications, они проанализировали более 450 000 отдельных клеток из 49 органоидов, полученных с помощью широко используемых методов от четырех людей разного возраста и пола. Группа показала, что органоиды близко сопоставимы как друг с другом, так и с человеческими почками.
Органоид почки, полученный из человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, содержит множество типов клеток, включая подоциты (красный цвет), клетки проксимального канальца (зеленый цвет) и дистального канальца (синий цвет).
Кроме того, группа Греки демонстрирует потенциал органоидов как моделей болезней для открытия новых лекарств. В ходе так называемого «мини-исследования эффективности в пробирке», ученые создали органоиды из клеток, пожертвованных тремя пациентами с тубулоинтерстициальным нефритом – генетическим заболеванием почек, связанным с мутацией гена белка муцина 1, и сравнили их с другими, полученными от здоровых братьев и сестер пациентов. Как описано в статье 2019 года, опубликованной в журнале Cell, исследователи обнаружили неправильно собранный мутантный белок муцин 1, застрявший в канальцах органоидов пациентов, как и в их органах пациентов.
Обладая этими знаниями, группа испытала потенциальные лекарственные соединения и нашла одно, которое устраняет мутантный белок в органоидах, а последующих исследованиях и в почках мышей, у которых синтезируется такой же аномальный белок. Они идентифицировали мишень для лечения – молекулу TMED9 – и показали в органоидах с нефритом, что она активируется везде, где накапливается мутантный белок.
Таким образом, исследователи смогли использовать органоиды в качестве системы, позволившей получить представление о возможных механизмах и даже лечении генетического заболевания почек. Они продолжают работу в этом направлении и анализируют роль генетического фона пациента. Органоиды предоставляют возможность исследовать «контекст» – генетический фон отдельных пациентов, чтобы показать, как он влияет на вариабельность проявлений заболеваний человека.
Исследование TMED9 показало важность органоидов для изучения механизмов и клинически значимых вопросов, но реальным доказательством этого станет одобрение первого лекарства, разработанного на основе органоидов.
Опухолевые органоиды – будущее в исследовании рака
Линии раковых клеток долго были рабочей лошадкой в исследованиях рака на протяжении десятилетий, но опухолевые органоиды, которые выращивают из опухолевых клеток пациентов, создать проще и быстрее. Джесси Бем и его группа из Инициативы по моделям рака человека Национального института рака (NCI) планирует создать 1000 культур органоидов опухолей, полученных от пациентов, и добавить их в библиотеку моделей опухолей NCI.
На данный момент группа Бема создала сотни опухолевых органоидов, многие из которых являются редкими формами рака. Каждая модель органоида снабжена аннотациями, содержащими ее основные молекулярные характеристики, включая последовательности ДНК зародышевой линии и первичной опухоли, и, что важно, клинические данные пациента: демографические данные, стадия заболевания, лекарственная устойчивость, реакции на предшествующее лечение и многое другое.
Эти опухолевые органоиды были созданы из биоптата мозга пациента с метастазами рака груди.
Благодаря большему количеству и разнообразию моделей рака для анализа, исследователи используют библиотеку органоидов для поиска генетических уязвимых точек в большем количестве видов рака. Конечная цель – найти прицельные методы лечения, направленные на эти слабые места у большего числа пациентов. По словам Бема, только 25% больных раком сегодня получают лечение, подобранное в соответствии с генетическим составом их опухолей. Не секрет, что генетический фон пациента может иметь сильное влияние на течение болезни или наилучшее лечение.
Бем является научным руководителем инициативы Cancer Dependency Map, DepMap, которая систематизирует генетические мутации, необходимые для роста опухоли. Дословный перевод «Карта зависимости рака» тут явно не годится, разве что развернуть в «Карта генов, связанных с раком».
Поскольку выживание опухолевых клеток в значительной степени зависит от этих мутаций, они также являются мишенями, которые противораковые препараты могут использовать для уничтожения атипичных клеток.
Органоиды опухолей расширят возможности DepMap, предлагая модели более широкого спектра опухолей. Например, относительная простота производства означает, что исследователи могут получать органоиды от одного и того же пациента в разные моменты времени или на разных стадиях развития опухоли. Это позволит ученым больше узнать о том, как опухоли меняются со временем и, например, о развитии лекарственной устойчивости.
Чтобы интегрировать опухолевые органоиды в DepMap, Бем и несколько сотрудников Института Броада разрабатывают высокопроизводительные подходы для скрининга органоидов опухолей на предмет генетической уязвимости. Они используют технологию CRISPR, чтобы систематически нокаутировать каждый ген в органоиде, а затем проверять органоид на предмет потенциальных мишеней для лекарств. К настоящему времени им удалось оптимизировать около 12 скринингов, и сейчас они решают проблему масштабирования процесса.
Бем прогнозирует, что органоиды опухоли опередят линии раковых клеток в основных исследованиях рака в течение нескольких лет, не потому, что они лучше, а потому, что их легче получить. Опухолевые органоиды будут играть важную роль в прецизионной медицине, когда пациенту с раком можно будет секвенировать геном опухоли и, на основе этого молекулярного профиля, назначить лечение, которое с большой вероятностью будет эффективным.
Статья S.Velasco et al. Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex опубликована в журнале Nature; A.Subramanian et al. Single cell census of human kidney organoids shows reproducibility and diminished off-target cells after transplantation – в журнале Nature Communications; M.Dvela-Levitt et al. Small molecule targets TMED9 and promotes lysosomal degradation to reverse proteinopathy – в журнале Cell.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Broad Institute: Organoids emerge as powerful tools for disease modeling and drug discovery.