Медицина
Медицина

«Мізки в чашці Петрі». Наскільки органоїди органи та навіщо їх вирощують?

Поперечний розріз мозкового органоїда. Madeline Lancaster / EuroStemCell

Поперечний розріз мозкового органоїда. Madeline Lancaster / EuroStemCell

Коли миші вченим не в поміч

При дослідженні певного захворювання або ж методів його лікування вчені не можуть одразу проводити експерименти на людях. Окрім того, що це суперечить етичним нормам, це не завжди зручно та можливо. Тому найбільша кількість біомедичних досліджень проводиться на модельних системах. Такими є, наприклад, мікроскопічні круглі черви, дрозофіли, рибки даніо-реріо. А особливо популярними піддослідними при вивченні людських хвороб є миші, про яких ми написали окрему статтю «Про мишей і людей». Із усіма цими тваринами нас поєднує велика кількість спільних генів, але на відміну від людей, їхній геном можна змінювати, як потрібно, а утримувати їх в лабораторії істотно легше й дешевше.

Водночас нерідкісними є випадки, коли навіть піддослідні тварини є надлишковістю. З ними виникають труднощі, якщо вченим потрібно простежити ранній розвиток окремих тканин чи клітин і взаємодій між ними. До того ж наскільки б ми не були подібними з іншими тваринами, у нас є свої особливості фізіології, які неможливо простежити на тваринних моделях. Так, деякі ліки працюють абсолютно різним чином у людей і мишей, а наш мозок є набагато складнішою структурою, ніж у гризунів, зі своїми закономірностями розвитку та функціонування.

Частково обійти ці обмеження допомогла технологія вирощування людських стовбурових клітин. При цьому їх навіть не обов'язково добувати з ембріонів, а можна перепрограмувати вже зрілі клітини й повернути їх до стану стовбурових. Тоді їх називають індукованими плюрипотентними стовбуровими клітинами (ІПСК), які при обробленні їх відповідними речовинами дають початок різноманітним типам інших клітин, наприклад, нейронам. Спочатку технологія давала змогу культивувати лише один тип клітин тонким шаром, з обмеженим представленням міжклітинних взаємодій, але з часом науковці змогли вирощувати складніші самоорганізовані тривимірні структури, які містять багато різних клітин і навіть тканин. Завдяки вмілому додаванню до культури ІПСК хімічних стимулів зараз вчені можуть запускати в них процес розвитку різних органів. Тоді стовбурові клітини агрегуються та формують спрощений аналог органа — органоїд.

Клітини, яких перепрограмували в стовбурові. Клітини на проміжній стадії перетворення зафарбовані рожевим. UCLA Broad Stem Cell Research Center / Plath Lab

Клітини, яких перепрограмували в стовбурові. Клітини на проміжній стадії перетворення зафарбовані рожевим. UCLA Broad Stem Cell Research Center / Plath Lab

Хоча органоїди мають розміри всього кількох міліметрів, спрощену будову із багатьма відсутніми структурами, вони допомагають вченим вивчати базові особливості функціонування саме людських органів, а не риб чи мишей.

На що здатні мозкові органоїди

Наукові статті про органоїди мозку найчастіше вшановуються статті у різних медіа. Їх часто називають мізками у чашці Петрі, але чим вони є насправді й для чого їх вирощують?

Під час утворення органоїдів мозку згуртовані стовбурові клітини змушують формувати типи клітин, які відповідають різним регіонам справжнього мозку. Зрештою вони міститимуть тисячі клітин, що можуть взаємодіяти між собою майже як це відбувається в організмі людини. Процес самоорганізації органоїду відбувається подібним чином, як при формуванні мозку у зародка в утробі. Тому вони є непоганою моделлю для дослідження розвитку цього складного органа та його захворювань.

Поперечний розріз органоїду мозку. Institute of Molecular Biotechnology

Поперечний розріз органоїду мозку. Institute of Molecular Biotechnology

Перші мозкові органоїди продемонстрували особливості формування окремих ділянок мозку та виявили особливості виникнення мікроцефалії. Інша команда дослідників на прикладі органоїдів мозку з'ясувала, що у розвитку розладів аутистичного спектра суттєва роль може належати групі нейронів, які надмірно експресують ген, залучений у формуванні мозку. Подібним чином вчені змогли розширити також розуміння таких патологічних станів як синдром Дауна та інфекції центральної нервової системи.

Так само технологія вирощування органоїдів мозку сприяє вивченню таких дорослих захворювань, як хвороби Альцгеймера та Паркінсона, епілепсія та шизофренія. Хоча щодо вивчення їх таким способом довгий час ставилися скептично, вважаючи, що клітини мозкових органоїдів мають дуже обмежену здатність дозрівати, застрягаючи на рівні розвитку, що відповідає ембріональному. Однак нещодавно група американських науковців показала, що за достатнього часу та правильних умов підтримання життєдіяльності клітин вони за 9 місяців можуть набувати ознак, властивих мозковим клітинам новонароджених та, можливо, навіть старших.

Органоїди можуть допомогти й у вивченні мозку наших вимерлих родичів. Так, порівнюючи геноми сучасних людей та неандертальців й інших людей, вчені намагаються зрозуміти, яким був мозок давніх Homo. В одному з останніх таких досліджень вчені застосували технологію редагування геному на клітинах органоїдів мозку людей, щоб зробити їх подібними на неандертальські. Дослідники зосередилися на редагуванні всього одного гена, із тих, що у нас відрізняються. Але це змінило експресію ще 277 генів і весь шлях формування органоїдів та їх функціонування. Звісно, вчені не перетворили людські органоїди на неандертальські. Але результати дають змогу припустити, що генетичні відмінності, які проявилися в інакших механізмах оброблення інформації, могли зіграти роль у вимиранні одних видів людей та виживанні іншого.

Проте не варто забувати, що все ж мозкові органоїди є дуже спрощеною версією справжнього мозку. Вони не можуть обробляти інформацію чи усвідомлювати, як це відбувається в людей. Найчастіше в них відсутні кровоносні судини, які би перекачували через них поживні речовини. Також органоїди позбавлені захисту імунної системи та взаємодії з іншими системами, як у звичайному організмі, що має значний вплив на функціонування тканин та клітин. Клітини мозкових органоїдів експресують гени також дещо по-інакшому, ніж у живій людині. Одне з досліджень показало, що через брак життєво необхідних нутрієнтів, які звичайно присутні в організмовому середовищі, клітини органоїдів неадекватно активують стресові сигнальні шляхи. Це призводить до порушень у їхній взаємодії та виробленні нетипових білків.

Це не означає, що їхнє застосування у біомедичних дослідженнях марне. Навпаки, мозкові органоїди — одна з кращих можливостей для нейронауковців дослідити основи функціонування людського мозку. Просто технологія все ще перебуває на ранньому етапі й однозначно переживатиме вдосконалень у майбутньому.

Органоїди бувають різними

Теоретично органоїдів може бути стільки ж видів, скільки й органів та тканин має організм. Поки що вчені не можуть їх усіх вирощувати, але декілька десятків з них, мабуть, уже є. Як і органоїди мізків, вони дають змогу детальніше вивчити органотворення людини, але деякі мають ще й додаткове практичне застосування.

Одними з найперших вирощених органоїдів були органоїди кишечника. Вони досить точно відтворюють структуру ворсинок та крипт слизової оболонки кишківника з головними типами клітин. А поєднання вирощування самоорганізованих органоїдів із вирощуванням тканин на каркасі дає змогу навіть отримати трубчасту структуру, схожу на маленький кишківник. На них вчені досліджують механізм розвитку різних кишкових інфекцій та паразитарних захворювань, раку, імунологічних та багатьох інших захворювань. Корисними вони можуть бути й при дослідженні взаємозв'язку людини з кишковим мікробіомом, якщо до таких «мінікишок» підселити типові для нас бактерії.

Але крім цього, органоїди кишківника вже продемонстрували деякий потенціал у застосуванні в регенеративній медицині. Мишачі та людські кишкові органоїди після трансплантації піддослідним тваринам, успішно приживалися на місці та виконували свою функцію. Тож, можливо, їх можна було б використовувати як наче «латку» в місцях пошкодження кишківника при різних захворюваннях або для покращення функціональності травної системи при синдромі короткої кишки.

Органоїд кишківника. EPFL

Органоїд кишківника. EPFL

Печінка є одним із найважливіших органів людського організму, що забезпечує нормальний метаболізм вуглеводів та жирів, детоксикацію та продукцію жовчі. Попри це, вона вражається багатьма захворюваннями, причину та особливості яких ми достеменно ще не розуміємо. Тут теж можуть стати в пригоді органоїди. Вони можуть бути простими, складаючись лише з кількох типів клітин, головно залучених у секреції жовчі. Або ж бути складними структурами із численних типів клітин, що мають ознаки формування кровоносних судин та жовчних проток, хоча до органів їм ще далеко.

Органоїди печінки, як і інші, допомагають вивчати розвиток органу та його хвороб, особливо, якщо вирощені з клітин хворих із мутаціями. Завдяки специфічній метаболічній здатності вони є багатообіцяльною модельною системою для ранніх етапів випробувань лікарських препаратів. Деякі вчені також сподіваються, що органоїди зможуть замінити трансплантацію, оскільки після перенесення їх мишам дослідники змогли відновити кількість клітин печінки у тварин із печінковою недостатністю.

Триденний органоїд печінки. TAKANORI TAKEBE / YOKOHAMA CITY UNIVERSITY & CINCINNATI CHILDREN'S HOSPITAL MEDICAL CENTER

Триденний органоїд печінки. TAKANORI TAKEBE / YOKOHAMA CITY UNIVERSITY & CINCINNATI CHILDREN'S HOSPITAL MEDICAL CENTER

Зрозуміти, як працює наш зір та чому деякі хвороби можуть нас його позбавити, допомагають органоїди сітківки. Вони можуть розвиватися у багатошарові структури та містити колбочки з паличками, здатні реагувати на світло. Вирощені зі стовбурових клітин пацієнтів, що мають вроджену мутацію, властиву хворобам очей, слугують моделлю для вивчення різних типів сліпоти. Їх також розглядають як потенційне лікування хвороб сітківки шляхом трансплантації.

Існують навіть ембріональні органоїди для моделювання розвитку, фізіології та патології тканин ембріонів ссавців. У такому разі стовбурові клітини самоорганізуються у складну структуру, що може демонструвати схожий на гаструляцію зародка процес. Вони утворюють типи клітин, що відповідають клітинам трьох зародкових листків. Наразі вчені створюють здебільшого ембріональні органоїди мишей, але в майбутньому, скоріше за все, перейдуть і до роботи з ембріоїдами приматів та людей.

Ембріональний органоїд миші. Vincent van Batenburg / Hubrecht Institute

Ембріональний органоїд миші. Vincent van Batenburg / Hubrecht Institute

Серед іншого, науковці з різних кутків світу вже показали можливість створювати органоїди легень, язика, нирок, молочних залоз, слинних залоз, простати, маткових труб, ракових пухлин тощо. Список постійно поновлюється, але до чого це призведе?

Перспективи органоїдів

Галузь вирощування органоїдів дуже стрімко розвивається, але вона все ще перебуває на дуже ранньому етапі. Поки що одним із головних недоліків вивчення органів та їхніх хвороб на органоїдах є обмежена здатність останніх до зрілості. Вони здебільшого нагадують органи ембріонів, а не дорослих. Хоча добитися більшої зрілості клітин можна трансплантувавши їх в тіла тварин, іноді можуть знадобитися роки, щоб досягти необхідного рівня розвитку певних клітин. Розроблення швидкого та доступного методу вирощування більш зрілих клітин органоїдів є одним із важливих завдань для вдосконалення технології.

Чимало науковців вважають, що створення органоїдів є першим кроком до вирощування людських тканин та органів для трансплантації. У теорії цей варіант був би ідеальною заміною сучасним методам, оскільки можна взяти клітини самого пацієнта та виростити з нього потрібні органи, які будуть стовідсотково підходити йому. Але перші ніж це стане можливим, вченим треба добитися складнішої будови органоїдів і обійти вже згадане обмеження розвитку клітин. Також треба знайти спосіб вирощувати їх більшими за кілька міліметрів або сантиметрів, для чого треба забезпечити органоїдам належне живлення через повноцінну мережу кровоносних судин чи вдосконалені біореактори. Варто розрізняти це з ідеєю вирощування людських органів у тілах тварин. Цей метод ґрунтується на створенні тварин-химер із людськими стовбуровими клітинами, що формують замість деяких із власних органів людські.

Деякі дослідження дають надію, що органоїди можуть сприяти розвитку персоналізованої медицини, яка підходить до лікування з оглядом на індивідуальні особливості пацієнта. 2016 року нідерландські вчені створили кишкові органоїди зі стовбурових клітин хворих на кістозний фіброз, на яких перевірили ефективність кількох препаратів та змогли обрати оптимальний для лікування. Згодом британські вчені спробували передбачити реакцію організму пацієнтів на протиракові препарати, так само провівши досліди на їхніх органоїдах ракових пухлин.

Наразі опції з використанням органоїдів у медицині далеко не є загальнодоступними. Нам ще не вистачає даних про безпечність і залишаються не вирішеними питання про етичність подібних маніпуляцій. Проте є ще багато інших потенційних шляхів, як органоїди можуть нам допомогти краще досліджувати організм та боротися з хворобами. Не всі вони виявляться однаково можливими, але про деякі ми ще навіть не знаємо.


Оновлено 01.03.2021: виправлено посилання у розділі «Органоїди бувають різними».