Wiele wskazuje na to, że organoidy, czyli trójwymiarowe konstrukty komórek imitujące anatomię i funkcjonowanie pełnowymiarowych narządów, mogą być jednym z najważniejszych osiągnięć medycyny XXI wieku. Potrafimy tworzyć coraz bardziej złożone mininarządy – także tych organów, których działania do tej pory nie dawało się symulować w warunkach laboratoryjnych – ale także robić to nie tylko z komórek macierzystych. Najnowsze osiągnięcie uczonych z University College London (UCL) i szpitala Great Ormond Street Hospital (GOSH) to prawdziwy przełom w medycynie.
Czytaj też: Po raz pierwszy stworzono minimózgi z tkanki płodu. Historia dzieje się na naszych oczach
Naukowcy wyhodowali organoidy z komórek płuc, nerek i jelita cienkiego, które przelały się do płynu owodniowego pozyskanego od 12 kobiet pomiędzy 16. a 34. tygodniem ciąży. Po raz pierwszy w historii wyhodowano mininarządy bezpośrednio z komórek pobranych z trwającej ciąży, co może zwiększyć nasze rozumienie procesów zachodzących w tym newralgicznym czasie życia. Badania opisane w Nature Medicine mogą ułatwić modelowanie rozwoju wad wrodzonych i testowania nowych metod leczenia chorób, takich jak wrodzona przepuklina przeponowa (CDH).
Dr Mattia Gerli z UCL Surgery & Interventional Science mówi:
Organoidy, które stworzyliśmy z komórek płynu owodniowego, wykazują wiele funkcji reprezentowanych przez nie tkanek, w tym ekspresję genów i białek. Pozwolą nam zbadać, co dzieje się podczas rozwoju, zarówno w zdrowiu, jak i chorobie, co nie było wcześniej możliwe. Tak mało wiemy o późnej ciąży u ludzi, dlatego niezwykle ekscytujące jest otwieranie nowych obszarów medycyny prenatalnej.
Mininarządy z iPSC lub usuniętych płodów. Jest trzecia droga
Wrodzone wady rozwojowe występują u 2-4 proc. noworodków, będąc zasadniczą przyczyną zgonów niemowląt (pierwsze lub drugie miejsce). Według Polskiego Rejestru Wrodzonych Wad Rozwojowych w naszym kraju problem ten dotyka co roku co najmniej 10 tys. dzieci, często prowadząc do głębokiej niepełnosprawności. Organoidy pobrane z płynu owodniowego mogą dostarczyć cennych informacji o postępie wad wrodzonych, a w przyszłości nawet pomóc w opracowaniu spersonalizowanych planów leczenia.
Czytaj też: “Kompletny” ludzki embrion stworzony z komórek macierzystych. Przekroczono kolejną granicę
Organoidy hoduje się zwykle z dorosłych komórek pobranych z biopsji, które następnie zamienia się w tzw. indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC), które mogą różnicować się w dowolne tkanki. Technika ta może wytwarzać złożone struktury, ale zajmuje dużo czasu. Za pomocą organoidów zbadano obecnie wiele typów tkanek, w tym mózgową, sercową czy tkankę siatkówki. Organoidy służą do modelowania funkcjonowania tkanek i reakcji na konkretne leki.
Inną opcją jest wykorzystanie komórek macierzystych pochodzących bezpośrednio z płodów poddanych terminacji, ale ogranicza się to do wczesnych etapów ciąży i wiąże z wieloma kwestiami etycznymi. W Wielkiej Brytanii można pobrać tkanki w ten sposób do 22. tygodnia po zapłodnieniu, co stanowi prawną granicę przerwania ciąży. Z kolei w Stanach Zjednoczonych wykorzystanie takiego źródła komórek macierzystych do tworzenia organoidów jest nielegalne. W najnowszym badaniu naukowcy zamiast tego jako źródło żywych komórek wykorzystali płyn owodniowy, który otacza płód rosnący w macicy. Takie podejście pozwala na badanie tkanki zarodkowej z późniejszych etapów ciąży.
Próbki pobierano albo poprzez amniopunkcję – polegającą na wprowadzeniu igły do macicy i pobraniu płynu owodniowego, zwykle wykonywaną do 20. tygodnia ciąży – albo poprzez drenaż owodniowy w celu usunięcia nadmiaru płynu (do 34. tygodnia ciąży). Są to standardowe procedury opieki prenatalnej, dlatego dają możliwość pobrania płynu owodniowego bez żadnych dodatkowych zabiegów, bez dotykania rosnącego dziecka.
Kiedy naukowcy wyodrębnili i scharakteryzowali żywe komórki z próbek płynu owodniowego, wykorzystali sekwencjonowanie RNA, aby określić, z jakich tkanek pochodzą. Większość z nich miała korzenie w warstwach nabłonkowych, które są idealne do tworzenia organoidów. Eksperci zauważają, że wiele wrodzonych wad rozwojowych dotyczy tkanek nabłonkowych, dlatego powstałe w ten sposób mininarządy są bardzo użyteczne.
Mininarządy nowym sposobem monitorowania i leczenia wad wrodzonych
Udało się wyhodować organoidy z trzech narządów płodu: jelita cienkiego, nerek i płuc, które przeniesiono do podłoża żelowego w celu namnażania i wzrostu. W przeciwieństwie do organoidów zbudowanych z iPSC, komórki płynu owodniowego mają już “tożsamość” danego narządu.
Czytaj też: Czym jest ludzki embrion? Musimy to przemyśleć
Dr Mattia Gerli dodaje:
Nie ma żadnego przeprogramowania ani manipulacji – po prostu pozwalamy komórkom wyrazić swój potencjał. Dzięki temu przyszłe zastosowania w praktyce klinicznej będą bardziej wykonalne. Stosunkowo proste techniki skracają także czas potrzebny na hodowlę organoidów do zaledwie 4-6 tygodni, z 5-9 miesięcy potrzebnych w przypadku wykorzystania iPSC.
Aby ocenić, w jaki sposób organoidy można wykorzystać w leczeniu wad wrodzonych, naukowcy z UCL nawiązali współpracę z KU Leuven w Belgii, aby zbadać rozwój dzieci z wrodzoną przepukliną przeponową (CDH) – ubytkiem w tylno-bocznej części przepony, powodującym przemieszczenie się trzewi do klatki piersiowej. Prowadzi to do niewydolności oddechowej i trwałego nadciśnienia płucnego z wysoką śmiertelnością.
Organoidy od dzieci z CDH, zarówno przed, jak i po leczeniu, porównano z organoidami od zdrowych dzieci, aby zbadać charakterystykę biologiczną każdej grupy. Zgodnie z oczekiwaniami istniały znaczące różnice rozwojowe między organoidami CDH zdrowymi i organoidami CDH sprzed leczenia. Jednak mininarządy w grupie CDH po leczeniu były znacznie bliższe zdrowym, co pozwalało ocenić skuteczność zastosowanej terapii na poziomie komórkowym.
Prof. Paolo de Coppi z GOSH podsumowuje:
Po raz pierwszy byliśmy w stanie dokonać funkcjonalnej oceny wrodzonej wady dziecka przed porodem, co jest ogromnym krokiem naprzód w medycynie prenatalnej. Diagnoza zwykle opiera się na badaniach obrazowych, takich jak USG lub MRI, oraz na analizach genetycznych, ale wykorzystanie organoidów prenatalnych to pierwszy krok w kierunku opracowania bardziej szczegółowych prognoz.
Badania nie są jeszcze gotowe do zastosowania klinicznego. Być może do badań przesiewowych można by zastosować organoidy wyhodowane w wyniku amniopunkcji, ale obecnie przy użyciu tej techniki udało się z powodzeniem wyhodować organoidy wyłącznie z tkanki nabłonkowej trzech narządów. Bardziej złożone zaburzenia wrodzone prawdopodobnie wpływają na wiele warstw tkanek, takich jak komórki mezenchymalne. Zastosowanie tej metody do modelowania narządów, które nie wydalają komórek do płynu owodniowego, m.in. mózgu i serca, może nie być możliwe.