Cum se dezvoltă organele umane şi 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 aşa-numiţii organoizi. Aceste mini-organe, cu o dimensiune de doar câţiva milimetri, constau în grupuri de celule cultivate în laborator care pot forma structuri asemănătoare organelor umane. Acum cercetătorii au reuşit să creeze inimi miniaturale pentru cercetare.
Similar dezvoltării embrionare, organoizii fac posibilă investigarea interacţiunii celulelor în spaţiul tridimensional - de exemplu, în procesele metabolice sau în mecanismele bolilor.
Producţia de organoizi este complicată; nutrienţii, factorii de creştere şi moleculele de semnalizare necesare trebuie adăugate într-o anumită ordine şi la anumite momente, conform unui program precis.
Pentru a înnlocui experimentele pe animale, o echipă de cercetare din cadrul Facultăţii de medicină din Hanovra (MHH), Germania, a reuşit 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 şi organe artificiale (LEBAO) din cadrul MHH, a reuşit pentru prima dată să producă un organoid de inimă (HFO) şi să reproducă în cultura celulară întregul parcurs până la stadiul incipient al unei inimi umane.
O problemă nerezolvată în ştiinţă până în prezent a fost dezvoltarea unui model care să simuleze în combinaţie dezvoltarea inimii şi hematopoieza. Hematopoieza începe în embrionul uman după a patra săptămână, în aortă, aproape în timp şi locaţie de inima rudimentară.
Pornind de la modelul lor de organoid cardiac, cercetătorii au adăugat treptat factori specifici şi 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 ţesuturilor ca într-un embrion
Mini-inimile sunt create din celule stem pluripotente umane (hPSC). Acestea sunt celule cu proprietăţi speciale: ele pot fi propagate pe termen nelimitat în cultură şi 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 muşchiului cardiac, ci structuri complexe formate din cel puţin şapte tipuri de celule şi ţesuturi diferite, clar structurate.
La fel ca în dezvoltarea embrionară naturală , mini-inima artificială este formată din trei straturi în formă de cupă şi cuprinde precurosrul inimii, precursorii pentru ficat şi plămâni şi vasele de sânge.
„Acum am adaptat protocolul nostru de diferenţiere, adică instrucţiunile experimentale speciale, şi am adăugat organoidului inimii un strat endotelial dens, care căptuşeşte vasele de sânge şi din care ies celulele care formează sângele şi celulele progenitoare ”, explică dr. Miriana Dardano, primul autor al studiului, într-un comunicat publicat marţi.
„Acesta este primul model de organ uman de acest tip care combină toate ţesuturile în funcţie 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 interacţiunea între ţesuturi în hematopoieză”, subliniază dr. Lika Drakhlis, unul dintre liderii lucrării de cercetare. Cu toate acestea, noile descoperiri nu sunt doar de interes pentru ştiinţă pentru elucidarea dezvoltării organelor sănătoase şi a hematopoiezei.
Organoidul hematopoietic cardiac extins ar putea servi, de asemenea, ca model pentru boli precum Covid-19, care atacă inima şi vasele de sânge, precum şi plămânii. Infecţiile cu alte virusuri sau bacterii, cancerul sau malformaţiile cauzate de defecte genetice ar putea fi, de asemenea, investigate în vasul de cultură celulară pentru a înţelege şi trata mai bine bolile cardiovasculare. Organoizii sunt, de asemenea, potriviţi pentru testarea agenţilor farmacologici.
„În unele cazuri, acest lucru funcţionează chiar mai bine decât în cazul modelelor animale, de exemplu, deoarece acestea sunt supuse altor influenţe biologice, iar rezultatele nu pot fi transferate la om decât într-o măsură limitată”, spun cercetătorii.
Şi pentru că principiul lor de producţie de organoizi este la fel de flexibil ca un kit de construcţie, cercetătorii LEBAO nu se opresc la inimă şi sânge. Ei lucrează deja la un nou protocol de diferenţiere care transformă celulele iniţiale hPSC în celule din alte organe, astfel încât în viitor să fie disponibile şi alte modele de organoizi multiţesut pentru cercetarea medicală.
Foto: Dr. Robert Zweigerdt, dr. Miriana Dardano şi dr. Lika Drakhlis (de la stânga la dreapta) au dezvoltat o mini-inimă hematopoietică multistratificată. Drepturi de autor: Karin Kaiser/MHH, 10 decembrie 2024.
