Выращивание органоидов — перспективная биоинженерная технология 3D-культивирования клеток, целью которой является создание различных самоорганизующихся жизнеспособных моделей биологических органов, обладающих организационными свойствами, отражающими развивающийся орган.Zhao, Z., Chen, X., Dowbaj, A. M., Sljukic, A., Bratlie, K., Lin, L., … & Yu, H. (2022). Organoids. Nature Reviews Methods Primers, 2(1), 94. Soto-Gamez, A., Gunawan, J. P., Barazzuol, L., Pringle, S., & Coppes, R. P. (2024). Organoid-based personalized medicine: from tumor outcome prediction to autologous transplantation. Stem Cells, sxae023. Такие модели, «зачатки» искусственных органов, названные органоидами (, не путать с органеллами) используются учёными для изучения и моделирования органогенеза, моделирования опухолей и различных заболеваний, которым могут быть подвержены определённые органы, тестирования и скрининга на них различных лекарственных препаратов и токсичных веществ, а также для экспериментов по замене органов или терапии повреждённых органов трансплантатамиNovelli, G., Spitalieri, P., Murdocca, M., Centanini, E., & Sangiuolo, F. (2023). Organoid factory: The recent role of the human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) in precision medicine. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 10, 1059579. Hu, C., Yang, S., Zhang, T., Ge, Y., Chen, Z., Zhang, J., … & Liang, G. (2024). Organoids and organoids-on-a-chip as the new testing strategies for environmental toxicology-applications & advantages. Environment International, 184, 108415. Khorsandi, D., Yang, J. W., Foster, S., Khosravi, S., Hosseinzadeh Kouchehbaghi, N., Zarei, F., … & de Barros, N. R. (2024). Patient‐Derived Organoids as Therapy Screening Platforms in Cancer Patients. Advanced Healthcare Materials, 2302331. Lancaster MA, Knoblich JA.(2014). Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nat Protoc.;9 (10):2329-40. . Bombieri, C., Corsi, A., Trabetti, E., Ruggiero, A., Marchetto, G., Vattemi, G., … & Romanelli, M. G. (2024). Advanced Cellular Models for Rare Disease Study: Exploring Neural, Muscle and Skeletal Organoids. International journal of molecular sciences, 25(2), 1014. Reardon S. (2024). Mini-colon and brain 'organoids' shed light on cancer and other diseases. Tiny 3D structures made from human stem cells sometimes offer insights that animal models cannot. Nature. News. .
Современное состояние Идея об искусственном выращивании человеческих органов появилась в середине XX века, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Большое количество пациентов умирают, не дождавшись своего органаHabka D, Mann D, Landes R, Soto-Gutierrez A (2015) Future Economics of Liver Transplantation: A 20-Year Cost Modeling Forecast and the Prospect of Bioengineering Autologous Liver Grafts. PLoS ONE 10(7): e0131764. doi:10.1371/journal.pone.0131764. Искусственное выращивание органов в теории может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые успехи в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины.
По мнению Геннадия Онищенко когда люди научатся выращивать органы, они смогут жить до 150 летОнищенко: люди будут жить до 150 лет, если научатся выращивать органы.
Эмбриоиды Эмбриоиды или представляют собой трёхмерные агрегаты клеток, где представлены клетки всех трёх зародышевых листков, необходимых для образования органов и тканей организма. В условиях лаборатории их можно получить различными способами культивирования из недифференцированных ИПСКSteven D. Sheridan, Vasudha Surampudi, Raj R. Rao, (2012). Analysis of Embryoid Bodies Derived from Human Induced Pluripotent Stem Cells as a Means to Assess Pluripotency, Stem Cells International, 2012 , Article ID 738910, https://dx.doi.org/10.1155/2012/738910Toni-Marie Achilli, Julia Meyer, Jeffrey R Morgan, (2012). Advances in the formation, use and understanding of multi-cellular spheroids, Expert Opinion on Biological Therapy, 12 (10), 1347—1360 Carpenedo RL, Sargent CY, McDevitt TC (2007) Rotary suspension culture enhances the efficiency, yield, and homogeneity of embryoid body differentiation. Stem Cells 25: 2224—2234. . Формирование эмбриональных телец является обычным методом, используемым для дифференциации ИПСК в различные клеточные линии.
Гаструлоиды Поскольку, на ранних стадиях эмбриоиды нередко сильно дезорганизованы и не могут образовывать структуры, хоть сколько-нибудь похожие на эмбрион, их можно использовать только для поиска сигнальных молекул, необходимых для дифференцировки различных типов клеток, а также для создания популяций клеток предшественниковMorales, J. S., Raspopovic, J., & Marcon, L. (2021). From embryos to embryoids: How external signals and self-organization drive embryonic development. Stem Cell Reports, 16(5), 1039—1050. . Однако при соответствующих условиях (в частности под воздействием аминокислоты пролинаCermola, F., D’Aniello, C., Tatè, R., De Cesare, D., Martinez-Arias, A., Minchiotti, G., & Patriarca, E. J. (2021). Gastruloid development competence discriminates different states of pluripotency. Stem cell reports, 16(2), 354—369. ) эмбриоиды начинают претерпевать морфологические изменения аналогичные гаструляции эмбриона, генерируя типы клеток, соответствующие трём зародышевым листкам. Такие эмбриоиды сперва спонтанно образуют узелок, который без помощи и сигналов извне становится центром регулирующим пространственную организацию зародыша с учётом трёх осей тела и направляет полярность дифференцировки клеток во время дальнейшего эмбриогенеза. Так эмбриоид превращается в гаструлоидBeccari, L., Moris, N., Girgin, M., Turner, D. A., Baillie-Johnson, P., Cossy, A. C., … & Arias, A. M. (2018). Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids. Nature, 562(7726), 272—276. van den Brink, S. C., & van Oudenaarden, A. (2021). 3D gastruloids: a novel frontier in stem cell-based in vitro modeling of mammalian gastrulation. Trends in Cell Biology. 31(9), 747—759 Anlas, K., Baillie-Benson, P., Arató, K., Turner, D. A., & Trivedi, V. (2021). Gastruloids: Embryonic organoids from mouse embryonic stem cells to study patterning and development in early mammalian embryos. In Programmed Morphogenesis (pp. 131—147). Humana, New York, NY. . Гаструлоиды это трёхмерные агрегаты плюрипотентных стволовых клеток, которые при соответствующих условиях культивирования развивают эмбрионоподобную организацию с тремя ортогональными осями и точным распределением множественных производных трёх зародышевых листков.
Органоиды сердечно-сосудистой ткани Культивируя эмбриоиды на коллаген-конъюгированных гидрогелях с жесткостью, подобной жесткости сердечной мышечной ткани Шкуматову с соавторам исследованияShkumatov A, Baek K, Kong H (2014) Matrix Rigidity-Modulated Cardiovascular Organoid Formation from Embryoid Bodies. PLoS ONE 9(4): e94764. удалось получить кардиоваскулярные органоиды, способные к сокращению. Этим они показали, что важную роль в дифференцировке клеток может играть жесткость межклеточного матрикса. Необходимость создания комфортных для культивируемых клеток механических напряжений, путём регуляции жесткости материала подложек для культивации была отмечена и в ряде других работHeras-Bautista, C. O., Katsen-Globa, A., Schloerer, N. E., Dieluweit, S., El Aziz, O. M. A., Peinkofer, G., … & Pfannkuche, K. (2014). The influence of physiological matrix conditions on permanent culture of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Biomaterials, 35 (26), 7374-7385.Qiu, Y., Bayomy, A. F., Gomez, M. V., Bauer, M., Du, P., Yang, Y., … & Liao, R. (2015). A role for matrix stiffness in the regulation of cardiac side population cell function. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 308(9), H990-H997. Patel, A. K., Celiz, A. D., Rajamohan, D., Anderson, D. G., Langer, R., Davies, M. C., … & Denning, C. (2015). A defined synthetic substrate for serum free culture of human stem cell derived cardiomyocytes with improved functional maturity identified using combinatorial materials microarrays . Biomaterials. 61, 257—265. . Новые технологии позволили синхронизировать сокращения клеток сердечного органоида. Правильно подобранный темп электростимуляции, заставляющей растущую мышечную ткань сокращаться, позволяет не только сократить сроки выращивания, но и более качественно скопировать зрелую здоровую сердечную ткань по целому ряду параметровАнатолий Глянцев (2018). Из стволовых клеток впервые вырастили зрелую сердечную ткань . «Вести. Наука» (nauka.vesti.ru)Ronaldson-Bouchard, K., Ma, S. P., Yeager, K., Chen, T., Song, L., Sirabella, D., … & Vunjak-Novakovic, G. (2018). Advanced maturation of human cardiac tissue grown from pluripotent stem cells. Nature, 556, 239—243 .
Органоиды печени Важный шаг на пути к выращиванию в лаборатории органов сделали исследователи из Японии. Им удалось создать простую, но вполне функциональную печень человекаTakanori Takebe, Keisuke Sekine, Masahiro Enomura, et al. & Hideki Taniguchi (2013) Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature Человеческую печень вырастили в мышах . Исследователи получили клетки печени из ИПСК и культивировали их совместно с эндотелиальными клетками (предшественницами кровеносных сосудов) и мезенхимальными клетками, которые играет роль «клея», объединяющего различные клетки. Оказалось, что при определённом соотношении этих клеток их совместная культура проявляет способность к самоорганизации и образует трёхмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени. При трансплантации этих зачатков печени мышам было обнаружено, что они, примерно за 48 часов, образуют связи с близлежащими кровеносными сосудами и способны выполнять характерные для печени функции. По мнению некоторых учёных, подобные зачатки печени, если уменьшить их размер, а затем ввести в кровоток повреждённой печени, могли бы способствовать нормализации её функции. Пока нет гарантии, что клетки печени, полученные из ИПСК, не вызовут образование опухолей. Требуется тщательная отработка этих методовHuch, M; Gehart, H; Van Boxtel, R; Hamer, K; Blokzijl, F; Verstegen, M. M.; Ellis, E; Van Wenum, M; Fuchs, S. A.; De Ligt, J; Van De Wetering, M; Sasaki, N; Boers, S. J.; Kemperman, H; De Jonge, J; Ijzermans, J. N.; Nieuwenhuis, E. E.; Hoekstra, R; Strom, S; Vries, R. R.; Van Der Laan, L. J.; Cuppen, E; Clevers, H (2015). Long-Term Culture of Genome-Stable Bipotent Stem Cells from Adult Human Liver. Cell 160 (1-2): 299—312. . . .. На основе органоидов печени создано устройство — биоискусственная печень с органоидами печени для временного поддержания жизни больных.
Такебе с соавторами создали воспроизводимый метод широкомасштабного выращивания васкуляризированных органоидов печени человека полностью из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) и продемонстрировали их функциональные возможности для применения в качестве трансплантата для лечения людейTakebe T. et al., & TaniguchiH. (2017). Massive and Reproducible Production of Liver Buds Entirely from Human Pluripotent Stem Cells . Cell Reports, 21(10), 2661—2670. . Аналогичные протоколы были опубликованы в 2020 году.Sekine, K., Ogawa, S., Tsuzuki, S., Kobayashi, T., Ikeda, K., Nakanishi, N., … & Kobayashi, T. (2020). Generation of human induced pluripotent stem cell-derived liver buds with chemically defined and animal origin-free media. Scientific reports, 10(1), 1-13. Harrison S.P., et al., & Sullivan G.J. (2020). Scalable production of tissue-like vascularised liver organoids from human PSCs. bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2020.12.02.406835
Органоиды слюнных и слезных желез