Aby przekształcić komórki macierzyste w miniaturowe serca, zespół badawczy wystawił je na działanie zestawu cząsteczek, o których wiadomo, że biorą udział we wczesnym stadium rozwój ludzkiego serca w łonie matki. Cząsteczki połączyły się z receptorami na powierzchni komórek, uruchamiając w ten sposób przemiany komórek. W efekcie z komórek macierzystych powstało kilka różnych typów komórek, występujących w sercu.
Po tygodniu rozwoju komórki uformowały się w struktury przypominające jamy serca. Ściany tych organoidów zaczęły się rytmicznie kurczyć, naśladując bicie ludzkiego serca.
Organoidy pomogą w diagnozowaniu chorób serca u płodów
Główny autor badania, Sasha Mendjan z Instytutu Biotechnologii Molekularnej Austriackiej Akademii Nauk w Wiedniu przyznaje, że najbardziej interesuje go to, w jaki sposób serce przestaje działać prawidłowo, np. w przypadku wrodzonych wad serca. Chociaż wady te zazwyczaj pojawiają się na wczesnym etapie ciąży, naukowcy nie mogą zajrzeć bezpośrednio do ludzkich embrionów, aby zgłębić tajemnicę ich powstawania. Maleńkie organoidy, zwane przez zespół “kardioidami”, mogą więc w końcu zapewnić nowe spojrzenie na wczesne etapy rozwoju serca.
Organoidy biją jak prawdziwe serce. Fot. The Mendjan Lab
Mendjan dodał, że organoidy mogą również potencjalnie zapewnić wgląd w niektóre choroby serca u dorosłych. Chodzi o schorzenia, w których uszkodzone komórki serca cofają się do stanu podobnego do płodowego, lecz nie udaje im się zregenerować tak jak komórkom embrionalnym.
Od grudki komórek do bijącego miniaturowego serca
Zamiast zaczynać od masy komórek macierzystych, naukowcy mogą również przygotować organoidy za pomocą tzw. inżynierii tkankowej. W tym przypadku pierwszy etap to budowanie fizycznego rusztowania dla komórek, a następnie zasiedlanie go komórkami macierzystymi.
“Kiedy stosuje się podejście inżynierii tkankowej, buduje się zgodnie z planem określającym, jak powinien wyglądać docelowy organ” – powiedział Mendjan. Organoidy zbudowane metodą inżynierii tkankowej mogą być również wykorzystywane do badań leków, zanim zostaną one dopuszczone do testów na zwierzętach lub ludziach.
Aby przekształcić komórki macierzyste w maleńkie serca, Mendjan i jego zespół aktywowali sześć szlaków molekularnych w komórkach. Zespół próbował aktywować tych sześć ścieżek w różnej kolejności i używając do tego różnych ilości substancji chemicznych. Po kilku próbach udało im się znaleźć kombinację, dzięki której powstały bijące miniaturowe serca.
“Wyciągnęliśmy z tego wniosek, że należy pozwolić komórkom robić to, co do nich należy. Ingerujemy w nie tak mało, jak to tylko możliwe. Dostarczamy im tylko niezbędnych sygnałów chemicznych i substancji odżywczych potrzebnych do przetrwania w hodowli” – podsumowuje Mendjan.
Komórki macierzyste wiedzą, co robią
Mając do dyspozycji miniaturowe serca, zespół chciał sprawdzić, czy zachowują się one podobnie jak prawdziwe narządy. Uczeni przeprowadzili więc eksperyment mający na celu modelowanie urazów w organoidach.
Część maleńkich serc zamrożono za pomocą stalowego pręta – tak zimnego, że zabił wszystkie komórki, z którymi miał styczność. W odpowiedzi na to organoidy wysłały w te miejsca grupę komórek zwanych fibroblastami, które zbudowały nowe rusztowanie na martwych komórkach. Dzięki temu struktura organoidu została częściowo odbudowana.
Ten wczesny etap procesu naprawy został już wcześniej zaobserwowany w modelach zwierzęcych. Jednak takiej odpowiedzi nigdy nie uzyskano in vitro, czyli w hodowli poza organizmem zwierzęcia.
Uczeni chcą wyhodować większe serca
“Myślę, że widzimy to po raz pierwszy, ponieważ te kardioidy naprawdę zachowują się w dużym stopniu jak prawdziwy organ” – dodał główny autor badania. Jego zespół jeszcze nie wie, dlaczego kardioidy zachowują się tak, jak się zachowują.
Zespół planuje więc dalsze eksperymenty, które pozwolą zrozumieć początkowe stadia powstawania organoidów. Chce również skupić się na tym, by zmusić organoidy do dalszego rozwoju – tak, aby powstały narządy z czterema jamami, jak w prawdziwych sercach.
To nie pierwszy raz, kiedy naukowcom udało się wyhodować organy w laboratorium – jakiś czas temu pisaliśmy o tym, iż w Niderlandach wyhodowano ludzkie gruczoły łzowe.