پیشرفت در ساخت ارگانوئیدها میتواند به تحقیقات کمک کند و منجر به درمان شود.
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، حدود یک دهه است که دانشمندان در حال پرورش ارگانوئیدها هستند خوشههای کوچک سلول که یک عضو خاص را شبیهسازی میکنند. تا به عنوان مدلهای زیستی کوچک مورد استفاده قرار گیرند. ارگانوئیدهای مغز برای مطالعه اختلالات توسعه عصبی، ارگانوئیدهای روده برای مدلسازی بیماری سلیاک و ارگانوئیدهای ریه برای بررسی کووید-19 به کار رفتهاند. حتی ارگانوئیدهای قلب برای آزمایش اثر میگرن بر عضله قلب به فضا فرستاده شدهاند. اما یک مشکل کوچک وجود دارد. این ارگانوئیدها نمیتوانند بزرگتر از یک دانه کنجد رشد کنند. پژوهشگران دانشگاه استنفورد روشی برای تولید اولین ارگانوئیدهای قلب و کبد که رگهای خونی خودشان را تولید میکنند، توسعه دادهاند که ممکن است راه را برای درمانهای ترمیمی مبتنی بر ارگانوئید هموار کند.
کاربرد ارگانوئیدها در حوزه علوم زیستی
ارگانوئیدها فناوری پیشرفتهای در حوزه علوم زیستی هستند که در برنامههای پزشکی دقیق، اندامهای مصنوعی و ارزیابیهای سمشناسی مواد شیمیایی کاربرد دارند. ساختار سهبعدی آنها شباهت نزدیکی به ارگانهای واقعی دارد و امکان تقلید عملکردی دقیقتر را فراهم میکند. سیستم کشت ارگانوئید سهبعدی میتواند وضعیت رشد سلولها در درون بدن را شبیهسازی کند و با استفاده از فناوریهای بدون داربست یا داربستی، سیستم کشت معلق برای کشت ارگانوئید سهبعدی برقرار سازد تا تماس مستقیم بین سلولها و وسایل کشت پلاستیکی جلوگیری شود. علاوه بر این، ارگانوئیدها میتوانند وضعیت فیزیولوژیکی و پاتوفیزیولوژیکی بافتها و ارگانها را در حالت آزمایشگاهی شبیهسازی کنند. این مقاله عمدتاً درباره روشهای ساخت، مزایا و معایب سیستمهای کشت سهبعدی برای ارگانوئیدهای بدون داربست و با داربست بحث میکند. همچنین این بررسی کاربردهای مدلهای ارگانوئید در ارزیابی سمشناسی مواد شیمیایی، غربالگری دارو، ارزیابی عملکرد، ایجاد مدلهای بیماری در محیط آزمایشگاهی و تحقیق در مورد وقوع بیماری و مکانیزمهای پتانسیل آنها را خلاصه میکند. هدف این است که مرجعی برای تحقیقات و کاربردهای عملی در حوزههای علمی مرتبط با ارگانوئیدها فراهم آورد.
رشد ارگانوئیدهای قلب و کبد با رگهای خونی کوچک
بر خلاف بافت زنده در بدن، ارگانوئیدها فاقد سیستم عروق خونی هستند که اکسیژن و مواد مغذی را به هر سلول برساند. فراتر از حدود ۳ میلیمتر قطر، یک ارگانوئید نمیتواند خود را با جذب منابع مستقیم از محیط حفظ کند. وقتی ارگانوئیدها را تا اندازهای خاص رشد میدهید، شروع به مردن درون میکنند چون نمیتوانند اکسیژن و مواد مغذی را به مرکز خود برسانند. در مطالعهای که در تاریخ ۵ ژوئن در مجله Science منتشر شد، ابیلیز و تیمی از پژوهشگران استنفورد روشی برای رشد ارگانوئیدهای قلب و کبد با رگهای خونی کوچک توسعه دادند، که ممکن است به غلبه بر محدودیت اندازه فعلی کمک کند. توانایی رشد ارگانوئیدهای عروقیشده برطرفکننده یک مشکل عمده در این حوزه است، گفت ابیلیز که همنویسنده مطالعه است. این رگهای خونی یکپارچه میتوانند نه تنها اجازه دهند ارگانوئیدها بزرگتر شوند، بلکه همچنین به حالت بلوغ بیشتری برسند و کاربرد آنها را به عنوان مدلهای زیستی افزایش دهند. آنها همچنین ممکن است گام بعدی در درمانهای ترمیمی باشند.
تزریق سلولهای عضله قلب به بیماران
در مطالعه بالینی جداگانهای که توسط وو رهبری شد، پژوهشگران استنفورد در حال تزریق سلولهای عضله قلب آزمایشگاهیشده، به نام کاردیومیوسیتها، به بیماران مبتلا به نارسایی قلب هستند. «اما بافت واقعی قلب بیش از کاردیومیوسیتها را دارد»، وو گفت. «عناصر دیگری مانند سلولهای اندوتلیال که دیواره عروق را تشکیل میدهند، سلولهای عضله نرم اطراف عروق، پریکیتها، فیبروبلاستها و سلولهای دیگر که عروق را متصل میکنند،.» در آینده، شاید ارگانوئیدهای قلب عروقیشده که از سلولهای بنیادی بیمار رشد یافتهاند، بتوانند جراحی شده و جایگزین بافتهای از دست رفته یا آسیبدیده شوند. فکر میکنیم اگر ارگانوئیدها سیستم عروقی داشته باشند، میتوانند با عروق میزبان ارتباط برقرار کنند و این شانس بقاء آنها را افزایش میدهد»، ابیلیز گفت.
ارزیابی عملکرد ارگانوئیدها
دانشمندان ارگانوئیدها را از سلولهای بنیادی چندتایی (پلاستپوتنت) با غوطهور کردن سلولها در مواد شیمیایی مختلف ،عوامل رشد و دیگر مولکولهای کوچک، برای القای تبدیل آنها به انواع مختلف سلولها تولید میکنند. اما تلاشها برای رشد ارگانوئیدهای قلب عروقیشده، میزان تولید انواع سلولهای مورد نیاز برای تشکیل عروق خونی را نامنظم کرده است. پژوهشگران دیگر روش مهندسی را امتحان کردهاند، مانند رشد جداگانه سلولهای اندوتلیال، یا حتی چاپ سهبعدی شبکههای عروقی و سپس ترکیب آنها با ارگانوئید قلب، اما هیچکدام ارگانوئیدهایی با سیستم عروق واقعی نداشتهاند. در مطالعه اخیر منتشر شده، تیم تحقیقاتی راهحلی برای بهبود دستورالعملهای رشد ارگانوئیدهای قلبی پیدا کرد که بتواند تقریباً تمام انواع سلولهای قلب انسان، از جمله سلولهایی که شبکهای قوی از عروق خونی را تشکیل میدهند، تولید کند.
ساخت سه نوع سلول کلیدی
پژوهشگران روشهای تثبیت شده برای ساخت سه نوع کلیدی سلول را بررسی کردند: کاردیومیوسیتها، سلولهای اندوتلیال و سلولهای عضله نرم. آنها این روشها را در ۳۴ دستورالعمل مختلف ترکیب کردند، که مشخص میکرد چه عوامل رشدی، چه مقدار و چه زمانی به کار میروند، تا ارگانوئیدهای قلبی حاوی هر سه نوع سلول تولید شود. همچنین، سلولهای بنیادی اصلاح شده را طوری تغییر دادند که هنگام تبدیل به سه نوع سلول، در رنگهای مختلف فلورسانس نشان دهند. وقتی آنها ۳۴ دستورالعمل را روی سلولهای بنیادی آزمایش کردند و اجازه دادند حدود دو هفته رشد کنند. این ارگانوئید قلبی چندرنگترین بود. این کاملاً واضح بود»، گفت ابیلیز. «ما آن را انتخاب کردیم که بیشترین تعداد از این سه رنگ فلورسانس را داشت، که نشاندهنده بیشترین تعداد کاردیومیوسیتها، سلولهای اندوتلیال و عضلههای نرم است.»
توضیح ساختار ارگانوئیدهای شکل گرفته
در میکروسکوپ سهبعدی، ارگانوئیدهای گلشکل با سازماندهی داخلی بودند، به طوری که کاردیومیوسیتها و عضلههای نرم در داخل و یک لایه بیرونی از سلولهای اندوتلیال که عروق خونی را تشکیل میدادند، قرار داشتند. این عروق شاخهدار و لولهای، شبیه مویرگهای قلب است که قطرشان بین ۱۰ تا ۱۰۰ میکرون است، تقریبا عرض یک تار مو. وقتی محققان سایر سلولها را در ارگانوئیدها با استفاده از توالییابی RNA تکسلولی تحلیل کردند، متوجه شدند که تقریباً تمام انواع سلولی موجود در قلب در آن یافت میشود. هر ارگانوئید حاوی ۱۵ تا ۱۷ نوع سلول مختلف بود، که مقایسه میشود با قلب در حال توسعه در هفته ششم بارداری، که ۱۶ نوع سلول دارد. قلب بالغ، ۲۱ نوع سلول دارد. تمام این انواع سلول در قلب وجود دارد»، گفت ابیلیز. «این نتیجه مثبت و غیرمنتظرهای بود.»
ایجاد یک مدل تکوینی
دستورالعمل برنده به نظر میرسد که شرایطی را شبیه مراحل اولیه توسعه جنینی، زمانی که انواع سلولها ظاهر میشوند و عروق خونی آغاز به تشکیل میکنند، شبیهسازی میکند. این موضوع نشان میدهد که ارگانوئیدها میتوانند به عنوان مدلهایی برای مراحل اولیه توسعه انسانی ارزشمند باشند، دورهای که مطالعهاش دشوار است. این یک جعبه سیاه در مورد توسعه در اوایل بارداری است، زمانی که آزمایش داروها از نظر اخلاقی ممکن نیست»، گفت ابیلیز. به عنوان نمونه، محققان داروی فنتانیل، اپیوئید قوی و رایج سوءمصرف، را بر روی ارگانوئیدهای قلبی عروقیشده آزمایش کردند. آنها دریافتند که ارگانوئیدهای تحت تأثیر فنتانیل، عروق بیشتری تولید کردند.
سایر اعضای بدن
پژوهشگران نشان دادند که استراتژی عروقیسازی آنها میتواند برای ساخت سایر ارگانوئیدها نیز به کار رود. با ترکیب روشهای تثبیتشده برای تمایز انواع کلیدی سلولها در کبد، ارگانوئیدهای کبدی با شبکههای قوی عروقی تولید کردند. در مطالعات آینده، پژوهشگران اجازه میدهند ارگانوئیدهای عروقیشده مدت بیشتری توسعه یابند تا ببینند چقدر بزرگ و بالغ میشوند. همچنین قصد دارند روشهای عروقیسازی را بهینهتر کنند تا انواع بیشتری از سلولها مانند سلولهای ایمنی و سلولهای خونی را در ارگانوئیدها تولید کنند، تا شباهت بیشتری به قلب بالغ داشته و مدلهای بهتری برای بیماریهای بزرگسالان باشند. دوست دارم بتوانم این روش را در انواع مختلف ارگانوئیدها به کار ببرم»، گفت ابیلیز. «در نهایت، تقریباً هر عضوی در بدن ما دارای سیستم عروقی است.»
پایان مطلب/.