Как развиваются человеческие органы и что с ними происходит, когда они заболевают? Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи все больше внимания уделяют так называемым органоидам. Эти мини-органы, размером всего в несколько миллиметров, состоят из групп клеток, выращенных в лабораторных условиях, которые могут образовывать структуры, похожие на органы.
Подобно эмбриональному развитию, органоиды позволяют исследовать взаимодействие клеток в трехмерном пространстве, например, в метаболических процессах или механизмах заболеваний.
Производство органоидов — сложный процесс: необходимые питательные вещества, факторы роста и сигнальные молекулы должны добавляться в определенном порядке и в определенное время по точному графику.
В 2021 году исследовательской группе под руководством доктора Роберта Цвайгердта, клеточного биолога из Научно-исследовательской лаборатории биотехнологии и искусственных органов имени Лейбница (LEBAO) Ганноверской медицинской школы (MHH), впервые удалось создать сердцеобразующий органоид (HFO) и воспроизвести весь путь до ранней стадии развития человеческого сердца в культуре клеток.
Одной из нерешенных проблем в науке на сегодняшний день является разработка модели, которая имитирует развитие сердца и кроветворение в сочетании. Кроветворение начинается у человеческого эмбриона после четвертой недели в аорте, близко по времени и местоположению к сердечной закладке.
Основываясь на своей модели сердечного органоида, исследователи постепенно добавляли специальные факторы и таким образом создали новый, кроветворный сердечный органоид (кроветворный HFO, BG-HFO). Этот успех исследования был недавно опубликован в журнале Nature Cell Biology.
Мини-сердца созданы из человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPSC). Это клетки с особыми свойствами: они могут неограниченно размножаться в культуре и образовывать любой тип клеток. С помощью биологических или химических сигналов, встроенных в гидрогелевую матрицу, hPSC можно контролировать таким образом, что трехмерные клеточные агрегаты развиваются в сердечные органоиды за 10–14 дней. Это не скопления клеток сердечной мышцы, а сложные структуры, состоящие по меньшей мере из семи различных, четко структурированных типов клеток и тканей.
Как и в естественном эмбриональном развитии , искусственное мини-сердце состоит из трех чашеобразных слоев и включает зачаток сердца, предшественников печени и легких, а также кровеносных сосудов.
«Теперь мы адаптировали наш протокол дифференциации, то есть наши специальные экспериментальные инструкции, и добавили плотный эндотелиальный слой к сердечному органоиду, который выстилает кровеносные сосуды и из которого появляются кроветворные клетки и клетки-предшественники», — объясняет соавтор исследования Мириана Дардано. «Это первая в своем роде модель человеческого органа, которая объединяет все ткани в соответствии с развитием в эмбрионе».
«Наше исследование теперь позволяет другим исследователям изучать в клеточной культуре, как происходит межтканевое взаимодействие в кроветворении», — подчеркивает соавтор исследования Лика Драхлисботы. Однако новые результаты интересны не только для науки, поскольку они объясняют развитие здоровых органов и кроветворение.
Расширенный гемопоэтический органоид сердца также может служить моделью для таких заболеваний, как COVID-19, который поражает сердце и кровеносные сосуды, а также легкие. Инфекции другими вирусами или бактериями, рак или пороки развития, вызванные генетическими дефектами, также могут быть исследованы в чашке для культивирования клеток, чтобы лучше понимать и лечить сердечно-сосудистые заболевания. Органоиды также подходят для тестирования фармакологических препаратов.
«В некоторых случаях это работает даже лучше, чем, например, в моделях на животных, поскольку они подвержены другим биологическим воздействиям, и результаты можно перенести на людей лишь в ограниченной степени», — говорят ученые.
И поскольку их принцип производства органоидов столь же гибок, как конструктор, исследователи LEBAO не останавливаются на сердце и крови. Они уже работают над новым протоколом дифференциации, который преобразует исходные клетки hPSC в клетки из других органов, так что в будущем для медицинских исследований будут доступны дальнейшие многотканные органоидные модели.
