Cum se dezvoltă organele umane și ce se întâmplă cu ele atunci când devin bolnave? Pentru a răspunde la aceste întrebări, cercetătorii se concentrează din ce în ce mai mult pe așa-numiții organoizi. Aceste mini-organe, cu o dimensiune de doar câțiva milimetri, constau în grupuri de celule cultivate în laborator care pot forma structuri asemănătoare organelor umane. Acum cercetătorii au reușit să creeze inimi miniaturale pentru cercetare.
Similar dezvoltării embrionare, organoizii fac posibilă investigarea interacțiunii celulelor în spațiul tridimensional – de exemplu, în procesele metabolice sau în mecanismele bolilor.
Producția de organoizi este complicată; nutrienții, factorii de creștere și moleculele de semnalizare necesare trebuie adăugate într-o anumită ordine și la anumite momente, conform unui program precis.
Pentru a înnlocui experimentele pe animale, o echipă de cercetare din cadrul Facultății de medicină din Hanovra (MHH), Germania, a reușit să producă pentru prima dată un organoid cardiac hematopoietic.
În 2021, echipa de cercetare condusă de dr. Robert Zweigerdt, specialist în biologie celular la Laboratoarele de cercetare Leibniz pentru biotehnologie și organe artificiale (LEBAO) din cadrul MHH, a reușit pentru prima dată să producă un organoid de inimă (HFO) și să reproducă în cultura celulară întregul parcurs până la stadiul incipient al unei inimi umane.
O problemă nerezolvată în știință până în prezent a fost dezvoltarea unui model care să simuleze în combinație dezvoltarea inimii și hematopoieza. Hematopoieza începe în embrionul uman după a patra săptămână, în aortă, aproape în timp și locație de inima rudimentară.
Pornind de la modelul lor de organoid cardiac, cercetătorii au adăugat treptat factori specifici și au creat astfel un nou organoid cardiac, generator de sânge (blood-generating HFO, BG-HFO). Acest nou succes de cercetare a fost publicat recent în revista Nature Cell Biology.
Dezvoltarea țesuturilor ca într-un embrion
Mini-inimile sunt create din celule stem pluripotente umane (hPSC). Acestea sunt celule cu proprietăți speciale: ele pot fi propagate pe termen nelimitat în cultură și pot forma orice tip de celulă. Cu ajutorul semnalelor biologice sau chimice încorporate într-o matrice de hidrogel, hPSC pot fi controlate astfel încât agregatele de celule tridimensionale să se transforme în organoizi cardiaci în 10-14 zile. Acestea nu sunt aglomerări de celule ale mușchiului cardiac, ci structuri complexe formate din cel puțin șapte tipuri de celule și țesuturi diferite, clar structurate.
La fel ca în dezvoltarea embrionară naturală , mini-inima artificială este formată din trei straturi în formă de cupă și cuprinde precurosrul inimii, precursorii pentru ficat și plămâni și vasele de sânge.
„Acum am adaptat protocolul nostru de diferențiere, adică instrucțiunile experimentale speciale, și am adăugat organoidului inimii un strat endotelial dens, care căptușește vasele de sânge și din care ies celulele care formează sângele și celulele progenitoare ”, explică dr. Miriana Dardano, primul autor al studiului, într-un comunicat publicat marți.
„Acesta este primul model de organ uman de acest tip care combină toate țesuturile în funcție de dezvoltarea în embrion”, spune biologul specializat în celule stem.
„Studiul nostru permite acum altor cercetători să investigheze în cultura celulară modul în care are loc interacțiunea între țesuturi în hematopoieză”, subliniază dr. Lika Drakhlis, unul dintre liderii lucrării de cercetare. Cu toate acestea, noile descoperiri nu sunt doar de interes pentru știință pentru elucidarea dezvoltării organelor sănătoase și a hematopoiezei.
Organoidul hematopoietic cardiac extins ar putea servi, de asemenea, ca model pentru boli precum Covid-19, care atacă inima și vasele de sânge, precum și plămânii. Infecțiile cu alte virusuri sau bacterii, cancerul sau malformațiile cauzate de defecte genetice ar putea fi, de asemenea, investigate în vasul de cultură celulară pentru a înțelege și trata mai bine bolile cardiovasculare. Organoizii sunt, de asemenea, potriviți pentru testarea agenților farmacologici.
„În unele cazuri, acest lucru funcționează chiar mai bine decât în cazul modelelor animale, de exemplu, deoarece acestea sunt supuse altor influențe biologice, iar rezultatele nu pot fi transferate la om decât într-o măsură limitată”, spun cercetătorii.
Și pentru că principiul lor de producție de organoizi este la fel de flexibil ca un kit de construcție, cercetătorii LEBAO nu se opresc la inimă și sânge. Ei lucrează deja la un nou protocol de diferențiere care transformă celulele inițiale hPSC în celule din alte organe, astfel încât în viitor să fie disponibile și alte modele de organoizi multițesut pentru cercetarea medicală.
Foto: Dr. Robert Zweigerdt, dr. Miriana Dardano și dr. Lika Drakhlis (de la stânga la dreapta) au dezvoltat o mini-inimă hematopoietică multistratificată. Drepturi de autor: Karin Kaiser/MHH, 10 decembrie 2024.