Ce sunt organoizii - explicații și implicații în medicină

Organoizii sunt sisteme de culturi 3D derivate din celule stem, cu ajutorul cărora pot fi recreate arhitectura și fiziologia organelor umane, fiind folosiți pentru studiul bolilor infecțioase, a tulburărilor genetice și a neoplaziilor, modalitate prin care se creează oportunitatea reducerii experimentelor pe animale. [1]

Animale de laborator vs. organe create în laborator

Utilizarea experimentelor pe animale în cercetarea biomedicală din ultimul secol a fost de un real ajutor în multe domenii, cum ar fi înțelegerea căilor de semnalizare celulară și identificarea medicamentelor folosite în terapia cancerelor și a bolilor infecțioase. Din punct de vedere istoric, înțelegerea mecanismelor bolilor cu ajutorul experimentelor pe animale derivă din înțelegerea fiziologiei organelor animalelor, extrapolată ulterior la funcționarea corpului uman. Există însă, anumite excepții în ceea ce privește anumite procese biologice care sunt specifice corpului uman și nu pot fi reproduse la animale, cum ar fi dezvoltarea creierului, metabolismul și testarea eficacității medicamentelor. De aceea, apariția culturilor in vitro 3D de celule stem ale diferitelor organe are potențialul de a depăși aceste limitări. [1]

Organoizii sunt unici prin faptul că se autoorganizează, formând sisteme de culturi 3D care pot fi aproape identice cu organele umane adevărate. O trăsătura comună a tuturor organoizilor este faptul ca aceștia sunt generați din celule stem pluripotente sau celule stem adulte, prin mimarea dezvoltării umane sau a regenerării in vitro a organelor. Analiza formării organoizilor poate aduce în prim-plan informații prețioase despre mecanismele ce stau la baza evoluției umane și a regenerării organelor, precum și valoarea organoizilor ca modele de sisteme biologice în domenii precum testările farmaceutice și medicina moleculară. [1]

Bazându-se pe ideea fundamentală că mecanismele biologice sunt conservate pe parcursul evoluției, domeniul cercetării biomedicale s-a focusat pe doar o paleta restransă a modelelor organismelor. Aceste modele sunt specii robuste ce se dezvoltă rapid, care generează un număr mare de descendenți într-un timp scurt și pot fi propagate ieftin în laborator. Cercetătorii beneficiază, în special, de folosirea unor modele de organisme prestabilite, având în vedere descrierea detaliată a dezvoltării și fiziologiei acestora, precum și existența unui număr mare de tehnici experimentale și baze de date specifice a speciilor. Este binecunoscut faptul că anumite modele de organisme, cum ar fi cel al drojdiei sau al hamsterilor, au o lungă tradiție de utilizare în cercetare, însă există și alte sisteme de modele care au ajutat la lărgirea paletei cunostințelor cercetătorilor, prin oferirea unui nou set de instrumente experimentale. Însă deși extensivă, informația obținută de la modelele animale nu reflectă în totalitate fiziologia umană, și tocmai din aceasta cauză, organoizii umani reprezintă o perspectivă promițătoare în constituirea unei punți între modelele animale și ființele umane. [1]

Cele mai utilizate modele de organisme în prezent sunt S. Cerevisiae, C. Elegans, D. Melanogaster, peștele zebră și hamsterul comun de casă. De asemenea, sunt folosite și xenogrefele de la pacienți și linii celulare neoplazice. Fiecare model are propriile avantaje și limitări. Dintre modelele de sisteme ale mamiferelor, disponibilitatea instrumentelor genetice avansate și celulele stem embrionice ale șoarecilor care favorizează generarea modelelor șoarecilor proiectate genetic conduc la preferarea modelului șoarecilor în cercetare. [1]

Cu toate acestea, există o nevoie enormă de modele bazate pe celule umane, deoarece o serie de fenomene biologice care sunt specifice oamenilor nu pot fi reproduse prin modele animale. De pildă, creierul uman este extrem de complex în comparație cu creierul hamsterilor, un exemplu în acest sens fiind neuronii din cortexul uman care se dezvoltă dintr-un tip celular care nu este prezent la rozătoare, celulele gliale radiale externe. De asemenea, fiziologia umana este profund diferită de sistemul modelului hamsterului, existând diferențe enorme între metabolismul uman și modelele de laborator, având în vedere că ființele umane se dezvoltă într-un ritm mult mai lent decat modelele. Un alt exemplu este constituit de medicamentele comune, cum ar fi ibuprofenul și warfarina, prescrise pentru durere, febră și inflamație, respectiv pentru efectul anticoagulant, ambele medicamente fiind toxice pentru șoareci. [1]

Dezvoltarea organoizilor

Culturile de linii celulare 2D au constituit principala ustensilă in vitro folosită în cercetare în ultimele decade. Liniile celulare sunt relativ ieftine, ușor de manevrat și pot fi aplicate în multe tehnici experimentale. Totuși, dezvoltarea unei linii celulare poate fi consumatoare de timp și implică o adaptare extensivă genetică și fenotipică la condițiile culturii. Majoritatea liniilor celulare sunt derivate din tumori sau prezintă un potențial oncogenic in vitro. Însă principala problema a liniilor celulare este omogenitatea celulelor, diferită de tipurile celulare diferentiate ale organelor inițiale. Aceste probleme aduc limitări ale utilizării liniilor celulare în medicina personalizată. [3]
În ultima decadă a avut loc o expansiune a dezvoltării tehnologiilor culturilor celulare 3D. Organoizii, structuri 3D dezvoltate din celule stem, evită multe dintre dezavantajele asociate cu liniile celulare și s-au dovedit potriviți pentru toate tehnicile de laborator standard și compatibili cu manipularea genetică, putând fi de asemenea crioprezervați. Și, după cum am menționat la începutul articolului, organoizii pot fi creați din două tipuri celulare: celule stem pluripotente sau celule stem adulte. [3]

De la apariția liniilor celulare derivate din celule stem embrionare sau celule stem pluripotente induse, cercetătorilor le-a venit ideea de a stimula aceste celule stem pentru generarea unor tipuri celulare diferențiate. Yoshiki Sasai a săpat mai adanc, întrebându-se dacă aceste modele in vitro ar putea mima dezvoltarea in vivo, cu posibilitatea creării unor metode de a „cultiva” creierul, retina și structurile pituitare „intr-un vas”. Ulterior, au apărut organoizii derivați din linii celulare ale intestinului, stomacului, ficatului, plămânilor, tiroidei și rinichilor. [3]

Celulele stem pluripotente induse sunt expansionate și ulterior diferentiate printr-un protocol ce include mai multi pași care are în vedere obținerea unei structuri diferențiate, mai multe cocktail-uri de factori de creștere fiind necesare pentru fiecare pas. Procesul de diferențiere durează tipic 2-3 luni, în funcție de tipul de organ. Structurile organoizilor derivați din celule stem pluripotente induse sunt complexe și conțin componente mezenchimale, epiteliale și endoteliale. Având în vedere faptul că protocoalele de diferențiere refac dezvoltarea in vitro, organoizii derivați din celule stem pluripotente induse contituie modele excelente pentru studiul bolilor genetice și infecțioase. [3]

Organoizii sunt „cultivați” din celule stem ale pacienților și depozitați în arhive tisulare denumite „biobănci”. Biobăncile facilitează cercetarea multidisciplinara ce are ca scop testările medicamentoase și dezvoltarea farmaceutică. Însă biobăncile ridică probleme de natură etică și provocări practice în ceea ce privește procedurile de consimtământ ale pacienților. Cu toate acestea, biobăncile în care se depozitează organoizii cu rol în studierea a numeroase neoplazii și a fibrozei chistice au o valoare incontestabilă pentru dezvoltarea industriei farmaceutice și a medicinei personalizate. [2, 3]