Byly pěstovány organoidy obsahující krevní cévy, což je slibné pro výzkum a léčbu

Již více než deset let vědci pěstují organoidy – malé klastry buněk, které napodobují konkrétní orgán -, aby sloužily jako miniaturní biologické modely. Organoidy mozku byly použity ke studiu neurodevelopmentálních poruch; střevní organoidy, k modelování celiakie; a plicní organoidy, pro zkoumání SARS-CoV-2. Srdeční organoidy byly dokonce poslány do prostoru, aby se testovaly účinek mikrogravitace na srdeční sval. Ale je tu malý problém – organoidy nemohou růst o nic větší než sezamové semeno.

Na rozdíl od živé tkáně v těle, organoidy postrádají systém krevních cév, který do každé buňky dodává kyslík a živiny. Kromě asi 3 milimetrů v průměru se organoid již nemůže udržovat absorbováním zdrojů přímo z jeho prostředí.

„Když pěstujete organoidy na určitou velikost, začnou zemřít uvnitř, protože nedokážou dostat kyslík a živiny do středu,“ řekl Oscar Abilez, MD, Ph.D., vedoucí vědec v divizi dětské srdeční chirurgie.

Ale pro studii Publikováno v VědaAbilez a tým vědců z medicíny Stanford rostly organoidy srdce a jater naplněné malými krevními cévami, což jim umožnilo překonat limit současné velikosti.

Schopnost pěstovat vaskularizované organoidy překonává hlavní úzký profil v terénu, řekl Abilez, který je spoluvlastním autorem studie. Integrované krevní cévy by mohly umožnit organoidům nejen zvětšit, ale také dosáhnout zralejšího stavu, což je činí užitečnější jako biologické modely.

Huaxiao (Adam) Yang, bývalý instruktor ve Stanford Cardiovaskulární institut a nyní docent v Biomedicínské inženýrství Na University of North Texas vedl studii.

Mohli by být také dalším krokem v regeneračních terapiích, řekl Joseph Wu, MD, Ph.D., vedoucí autor studie. Wu je profesorem medicíny a radiologie, ředitelem Stanfordského kardiovaskulárního institutu a Simona H. STERTZER, MD, profesor.

V samostatné klinické studii vedené společností WU vědci Stanford Medicine injekci injekci laboratorních srdečních svalových buněk, nazývaných kardiomyocyty, do pacientů se srdeční dysfunkcí.

„Ale skutečná srdeční tkáň obsahuje více než kardiomyocyty,“ řekl Wu. „Jsou Endoteliální buňky ty linie krevní cévy, buňky hladkého svalstva které obklopují krevní cévy, pericyty, které spojují krevní cévy, fibroblasty a další buňky. “

V budoucnu by možná vaskularizované srdeční organoidy pěstované z vlastních kmenových buněk pacienta mohly být chirurgicky implantovány, aby nahradily ztracenou nebo poškozenou tkáň.

„Myšlenka je taková, že pokud mají organoidy vaskulární systém, mohli by se spojit s hostitelskou vaskulaturou, a to jim dá větší šanci přežít,“ řekl Abilez.

Testování receptů

Vědci pěstují organoidy z Pluripotentní kmenové buňky Koupáním buněk v různých chemikáliích – faktorech růstu a jiných malých molekul -, aby jejich transformaci vyvolaly na různé typy buněk.

Pokusy o růst vaskularizovaných srdečních organoidů však způsobily nekonzistentní hladiny typů buněk potřebných k vytvoření krevních cév. Jiní vědci vyzkoušeli inženýrský přístup, samostatně rostoucí endoteliální buňky nebo dokonce 3D bioprinting vaskularizované sítě a poté je kombinovali se srdečním organoidem. Nikdo však nedosáhl organoidů s realistickými systémy krevních cév.

„Opravdu nevyrábějí rozvětvené plavidla s průchody,“ řekl Abilez.

V nedávno publikované studii se tým rozhodl optimalizovat chemický recept na růst srdečních organoidů, které by mohly spolehlivě generovat téměř všechny typy buněk v lidském srdci, včetně buněk, které tvoří robustní síť krevních cév.

Vědci přezkoumali zavedené metody pro vytváření tří klíčových typů buněk: kardiomyocyty, endoteliální buňky a buňky hladkého svalstva. Spojili tyto metody do 34 různých receptů nebo rostoucí podmínky – Růstové faktoryKolik a kdy je přidat – pro vytvoření srdečních organoidů obsahujících všechny tři typy buněk.

Při transformaci do tří typů buněk také modifikovali kmenové buňky na fluoresces v různých barvách.

Když testovali 34 receptů na kmenových buňkách a umožnili jim růst asi dva týdny, zejména jeden – Kondicen 32 – byl jasným vítězem. Produkoval nejbarevnější srdeční organoid.

„Bylo to docela zřejmé,“ řekl Abilez. „Vybrali jsme ten, který nám dal největší množství těchto tří zářivkových barev, které odpovídají nejvíce kardiomyocytů, endoteliálních buňkách a buňkám hladkého svalstva.“

V rámci 3D mikroskopie byly organoidy ve tvaru tělu ořechů organizovány s kardiomyocyty a buňkami hladkého svalstva uvnitř, spolu s vnější vrstvou endoteliálních buněk, které tvořily nezaměnitelné krevní cévy. Tyto malé větvení, tubulární nádoby se podobají kapilářům v srdci, což jsou 10 až 100 mikronů, asi šířku vlasů, v průměru.

Když vědci analyzovali ostatní buňky v organoidech pomocí jednobuněčné RNA sekvenování, byli překvapeni, když našli téměř všechny ostatní typy buněk srdce. Každý organoid obsahoval 15 až 17 různých typů buněk, srovnatelný s šestitýdenním embryonálním srdcem, které má 16 typů buněk. Srdce pro dospělé má 21 typů buněk.

„Měl všechny tyto ostatní typy buněk, které se nacházejí v srdci,“ řekl Abilez. „To bylo nečekané pozitivním způsobem.“

Model vývoje

Zdá se, že vítězný recept se přiblíží podmínkám zjištěným v raných stádiích embryonálního vývoje, kdy se objevují různé typy buněk a začnou se tvořit krevní cévy.

To naznačuje, že organoidy by mohly být cenné jako modely nejranějších stádií lidského vývoje, což je obtížné studovat.

„V raném těhotenství je tato černá skříňka vývoje, když není možné eticky testovat drogy,“ řekl Abilez.

Jako důkaz konceptu vědci testovali Fentanyl, silný a často zneužívaný opioid, na vaskularizované srdeční organoidy. Zjistili, že organoidy vystavené fentanylu generovaly více krevních cév.

„Nevíme, jak by to mohlo projevit novorozence, ale je to rozdíl,“ řekl Abilez.

Jiné orgány

Vědci také ukázali, že jejich strategie vaskularizace by mohla být upravena tak, aby vytvořila jiné organoidy. Kombinací zavedených metod pro rozlišení typů klíčových buněk v játrech vytvořily jaterní organoidy s robustními sítěmi krevních cév.

V budoucích studiích vědci umožní, aby se vaskularizované organoidy vyvíjely déle, aby viděli, jak velké a zralé se stávají. Rovněž plánují dále optimalizovat své recepty na vaskularizaci tak, aby generovaly ještě více typů buněk v organoidech, jako jsou imunitní buňky a krvinky, aby se více podobaly make -upu dospělého srdce a lepší modely nemocí dospělých, uvedl Wu.

„Rád bych to mohl udělat ve všech různých typech organoidů,“ řekl Abilez. „Koneckonců, téměř každý orgán v našem těle má systém krevních cév.“

K práci přispěli vědci z University of North Texas, Rosebud Biosciences, Bullseye Biotechnologies a Greenstone Biosciences.