Органоиды становятся мощным инструментом для моделирования болезней и открытия лекарств
Органоид головного мозга, полученный из индуцированной человеком линии плюрипотентных стволовых клеток и выращенный в культуре в течение 180 дней, демонстрирует высокий уровень разнообразия клеточных типов, включая радиальные глиальные клетки (пурпурный) и астроциты (зеленый и красный). Ядра клеток помечены синим цветом. Предоставлено: Сильвия Веласко, лаборатория Паолы Арлотта, Гарвардский университет и Институт Броуда.

Кластеры культивируемых клеток, размером всего несколько миллиметров в поперечнике, которые сами собираются в трехмерные структуры, могут выглядеть как крошечные капли. Но эти ткани, называемые органоидами, позволяют ученым изучать биологические процессы, связанные со здоровьем и болезнями, и находить потенциальные новые стратегии лечения способами, которые они не могли раньше.

Это связано с тем, что органоиды могут имитировать многие анатомические и функциональные особенности самых разных тканей человека и для некоторых типов тканей могут быть созданы более эффективно, чем другие модели, такие как линии клеток или модели животных. Их трехмерная организация может охватить большую часть сложности структур органов и клеточных взаимоотношений, которые могут иметь большее значение для реальных тканей пациента. А органоиды, полученные от пациентов, могут предоставить индивидуализированные модели болезни, которые на шаг ближе к точной медицине.

Исследователи из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда годами разрабатывали и совершенствовали методы выращивания различных видов органоидов. За последние несколько лет эти методы достаточно продвинулись, чтобы позволить исследователям получать органоиды надежным и воспроизводимым способом, что сделало их жизнеспособным исследовательским инструментом, который предлагает множество преимуществ.

Органоиды гораздо более доступны для лабораторных исследований, чем целые органы или лабораторные животные. Их можно создать с помощью генной инженерии или обработать химическими веществами, чтобы исследовать работу определенных генов, белков или путей. Они также хорошо подходят для визуализации с высоким разрешением и одноклеточной геномики или транскриптомики, открывая широкий спектр научных открытий.

Вот снимки трех исследовательских групп из Брод, занимающихся разработкой и использованием различных типов органоидов для поиска новых мишеней для лекарств и выявления механизмов заболевания.

Органоиды головного мозга: окно в болезнь нервного развития

Как нейробиолог по вопросам развития, член института Паола Арлотта хочет понять развитие и функции человеческого мозга, особенно коры головного мозга, которая контролирует наше самое сложное — и, возможно, самое человеческое — поведение. Но изучение грызунов и нейронных клеточных линий пока не поможет.

Органоиды становятся мощным инструментом для моделирования заболеваний и открытия лекарств
Изображение органоида головного мозга после 30 дней культивирования с большим увеличением. Нейронные предшественники (красный цвет) организованы в структуры, похожие на розетки, где они дают начало нейронам (зеленый цвет), которые накапливаются на периферии этих структур. Ядра клеток помечены синим цветом. Предоставлено: Сильвия Веласко, лаборатория Паолы Арлотта, Гарвардский университет, Институт Броуда.

«Человеческий мозг изменился в ходе эволюции по сравнению даже с нашими ближайшими родственниками», — сказала Арлотта, которая также является заведующим кафедрой стволовых клеток и регенеративной биологии Гарвардского университета и ассоциированным членом Стэнли-центра психиатрических исследований в Брод. «Следовательно, мы можем узнать о том, как устроен наш мозг, лишь так много, изучая мозг других видов».

Органоиды человеческого мозга могут частично восполнить этот пробел. У этих органоидов размером с изюм отсутствуют кровеносные сосуды и узнаваемые структуры или слои мозга, но на ультраструктурном уровне ткань выглядит почти неотличимой от ткани реального мозга с большинством ключевых типов клеток, связями между нейронами и даже активными схемами.

Более того, если органоиды мозга выращены из клеток с вариантами генов, которые были связаны со сложными психическими расстройствами или расстройствами нервного развития, такими как шизофрения и аутизм, они могут воспроизводить эффекты этих генетических изменений более информативным образом, чем нечеловеческие модели. «У нас никогда не было подходящей экспериментальной системы, чтобы выяснить, какие мутации генов риска заболеваний вызывают в человеческом мозге, и это то, что на самом деле дали нам органоиды», — сказал Арлотта.

Она и ее лаборатория посвятили несколько лет совершенствованию протоколов определения органоидов и разработке методов выращивания тканей в течение более длительных периодов — от месяцев до лет — чтобы лучше представить более поздние стадии зрелости мозга. В статье Nature 2019 года Арлотта и ее коллеги показали, что они могут генерировать долго растущие органоиды, которые составляют полный спектр типов корковых клеток, даже если они произведены из разных стволовых клеток и в разных условиях роста.

«Что наиболее важно, органоиды могут воспроизводить клетки коры, создавая каждый раз один и тот же набор клеток в каждом органоиде», — сказала она.

Надежные методы создания органоидов мозга позволили группе Арлотты теперь использовать их для раскрытия биологической сложности нарушений нервного развития, включая аутизм. Аутизм чаще всего связан со сложным генетическим фоном, в котором множество различных вариантов генов, вероятно, способствуют развитию расстройства. Но в редких случаях развитие признаков, связанных с аутизмом, может быть сильно связано с одной или несколькими конкретными мутациями. Группа Арлотты создает органоиды, несущие такие мутации, связанные с аутизмом, а затем сравнивает их с органоидами, выращенными из тех же клеточных линий, но без мутаций.

«Этот тип работы является основополагающим» для понимания того, как генетические изменения влияют на работу мозговых цепей с течением времени, — отметила Арлотта. Исследователи также могут сравнивать органоиды мозга, содержащие одну и ту же мутацию в разных генетических фонах, которые, по мнению Арлотты, будут иметь сильное влияние на проявление заболевания. Возможно, когда-нибудь органоиды мозга, полученные из клеток людей с аутизмом, смогут внести дополнительную ясность в широту и разнообразие лежащей в основе генетики.

Органоиды становятся мощным инструментом для моделирования заболеваний и открытия лекарств
Органоид всего мозга после 180 дней культивирования показывает радиальные глиальные клетки (пурпурный) и астроциты (зеленый и красный). Ядра клеток помечены синим цветом. Шкала шкалы: 425 мкм. Предоставлено: Сильвия Веласко, лаборатория Паолы Арлотта, Гарвардский университет, Институт Броуда (Веласко, С. и др. Nature, 2019)

Органоиды не предназначены для замены мышей и других модельных систем, сказала она. Но по некоторым вопросам они предлагают путь вперед, который ранее был невозможен: возможность изучить болезнь в тканях человека. «Какими бы примитивными ни были эти органоиды, они открывают дверь, которую никогда раньше не открывали», — сказал Арлотта. «И я считаю, что мы обязаны воспользоваться возможностью изучить генетику этих заболеваний этим новым и многообещающим способом».

Органоиды почек: платформа для открытия лекарств

«Почки уступают по сложности человеческому мозгу», — сказала сотрудник института Анна Грека, клеточный биолог и врач из больницы Бригама и женщин и Гарвардской медицинской школы. Органоиды могут улавливать больше трехмерной структуры такого сложного многослойного органа.

Группа Греки продемонстрировала, что органоиды почек могут служить воспроизводимыми высококачественными изображениями почек человека. В статье, опубликованной в прошлом году в Nature Communications, они проанализировали более 450 000 отдельных клеток из 49 органоидов, полученных с помощью широко используемых методов у четырех людей разного пола и возраста. Команда показала, что органоиды очень сопоставимы как друг с другом, так и с почками.

В то же время лаборатория Греки демонстрирует потенциал органоидов как моделей болезней для открытия новых лекарств. В том, что она описывает как «мини-испытание эффективности в чашке», ее команда извлекла органоиды из клеток, пожертвованных тремя пациентами с генетическим заболеванием, называемым муцином 1 почечной болезни, и сравнила их с другими, полученными от здоровых братьев и сестер пациентов. Как описано в статье Cell 2019 года, исследователи определили неправильно свернутый мутантный белок муцин 1, заключенный в канальцах органоидов пациентов, как и в их органах.

Обладая этими знаниями, команда проверила потенциальные лекарственные соединения и нашла одно, которое устраняет мутантный белок в органоидах, а также в почках мышей, сконструированных с таким же неправильно свернутым белком. Они идентифицировали мишень препарата как молекулу TMED9 и показали, что она активируется везде, где мутантный белок накапливается в органоидах пациента. «Мы смогли использовать органоиды в качестве системы для понимания возможных механизмов и даже лечения этого заболевания», — сказал Грека.

Она надеется продолжить эту работу, чтобы изучить роль генетического контекста пациента. «Не все из нас одинаково заболевают. Наши генетические особенности и предрасположенность, вероятно, как-то связаны с этим», — сказал Грека. Органоиды «могут использовать генетический фон отдельных пациентов в наших исследованиях и показать нам, как это влияет на вариабельность, которую мы видим в проявлениях человеческих болезней. Это многообещающий путь к столь необходимой точной терапии тысяч неизлечимых в настоящее время болезней. «

Органоиды становятся мощным инструментом для моделирования болезней и открытия лекарств
Органоид почек, полученный из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, имеет множество типов клеток, включая подоциты (красные) и клетки проксимального канальца (зеленый) и дистального канальца (синий). Масштабная линейка: 500 мкм. Предоставлено: Субраманиан А. и др. Nature Communications

Исследование TMED9 показало силу органоидов для изучения механизмов и клинически значимых вопросов, но реальным доказательством этого будет то, что первое терапевтическое средство, разработанное на основе органоидов, получит одобрение, сказал Грека. Несколько биотехнологических компаний, в том числе Goldfinch Bio, биотехнологическая компания из Бостона, в которой Грека выступает в качестве консультанта, разработали платформы органоидов почек для перемещения молекул-кандидатов в клинику.

Органоиды опухоли: «Будущее исследований рака»

Линии раковых клеток были рабочей лошадкой в ​​исследованиях рака на протяжении десятилетий, но опухолевые органоиды, которые выращивают из опухолевых клеток пациентов, сделать проще и быстрее, сказал ученый института Джесси Бем. Его команда, Завод широких линий раковых клеток (CCLF), является частью международного консорциума, возглавляемого Национальным институтом рака (NCI), под названием Human Cancer Models Initiative, целью которого является создание 1000 культур органоидов опухолей, полученных от пациентов, и добавление их в библиотеку моделей опухолей NCI.

На данный момент команда CCLF создала сотни опухолевых органоидов, многие из которых являются редкими формами рака. Каждая модель органоида снабжена аннотациями с ее ключевыми молекулярными характеристиками, включая последовательности ДНК зародышевой линии и первичной опухоли, и, что важно, клинические данные пациента, такие как демографические данные, стадия заболевания, лекарственная устойчивость, реакции на предшествующее лечение и многое другое. The Broad уникален среди партнеров консорциума тем, что он также разрабатывает и распространяет протоколы выращивания органоидов.

Поскольку для анализа требуется больше и больше моделей рака, команда CCLF теперь использует органоиды, чтобы расширить свои поиски генетических уязвимостей в большом количестве видов рака. Конечная цель — найти точные методы лечения, направленные на эти уязвимости у большего числа пациентов; По словам Бема, только около 25 процентов больных раком сегодня получают лечение, подобранное в соответствии с генетическим составом их опухолей.

«Вы можете создавать органоиды, представляющие все разнообразие пациентов», — сказал Бем. Это очень важно для сложных заболеваний, таких как рак, когда генетический фон пациента может иметь сильное влияние на течение болезни или наилучшее лечение.

Бем — научный руководитель инициативы «Карта зависимости от рака» (DepMap), которая систематически выявляет генетические мутации, необходимые для роста опухоли. Поскольку выживание опухолевых клеток в значительной степени зависит от этих мутаций, мутации также являются уязвимостями, которые противораковые препараты могут использовать для уничтожения клеток. «Наша цель — получить возможность взять опухоль пациента, молекулярно проанализировать ее и спрогнозировать уязвимость», — сказал Бем. «Тогда мы сможем использовать эту генетику, воздействуя на них с помощью лекарств».

Органоиды становятся мощными инструментами для моделирования болезней и открытия лекарств
Эти опухолевые органоиды были получены из биопсии мозга пациента с метастатическим раком груди. Предоставлено: Ребекка Дизи и Муни Ценг.

Органоиды опухолей расширят возможности DepMap, предлагая модели для более широкого спектра опухолей, сказал Бем. Например, относительная простота производства означает, что исследователи могут получать органоиды из одного и того же пациента в разные моменты времени или на разных стадиях развития опухоли. Это позволит ученым больше узнать о том, как опухоли меняются со временем, например о развитии лекарственной устойчивости.

Чтобы интегрировать органоиды опухоли в DepMap, Бем и несколько сотрудников Broad, в том числе заместитель директора DepMap Франциска Васкес, Дэвид Рут, старший директор платформы Broad’s Genetic Perturbation Platform, член института Уильям Хан и другие, разрабатывают высокопроизводительные подходы к скринингу органоидов опухоли на генетическую уязвимость. Они используют технологию CRISPR, чтобы систематически выбивать каждый ген в органоиде, а затем проверять органоид на предмет потенциальных мишеней для лекарств. На данный момент им удалось оптимизировать около дюжины экранов, и сейчас они решают задачу масштабирования процесса.

Бем предсказывает, что органоиды опухоли превзойдут количество раковых клеточных линий для фундаментальных исследований рака в течение нескольких лет. «Я думаю, что органоиды — это будущее исследований рака», — сказал он. «Не потому, что они обязательно лучше, а потому, что их легче получить».

Он добавляет, что опухолевые органоиды будут играть ключевую роль в точной медицине рака, где пациенту с раком можно будет секвенировать геном опухоли и, основываясь на этом молекулярном профиле, назначить лечение, которое будет наиболее эффективным. «Я рассматриваю исследования органоидов как часть следующего этапа изучения и лечения рака», — сказал Бем.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *