Primii organoizi de ovare umane ar putea fi utilizaţi la dezvoltarea unor noi tratamente pentru sănătatea reproductivă a femeilor.
Chiar dacă viaţa umană începe cu un ovul fecundat care se dezvoltă în ovare, aceste organe de reproducere umană sunt surprinzător de puţin studiate.
Oamenii de ştiinţă au lucrat la crearea unor modele in vitro ale ovarelor umane, astfel încât să le poată studia mai bine şi să dezvolte tratamente pentru afecţiunile acestor organe, însă majoritatea modelelor existente utilizează o combinaţie de celule umane şi de şoarece, care nu reproduc fidel funcţiile ovarelor umane şi care necesită mult timp pentru a creşte în laborator.
Acum, cercetătorii de la Institutul Wyss pentru inginerie biologică din cadrul facultăţii de medicină Harvard şi a universităţii Duke, în colaborare cu o companie de biotehnologie (Gameto) care dezvoltă terapii pentru boli ale sistemului de reproducere feminin, au creat un organoid de ovar viu, complet uman, care susţine maturarea ovulelor, dezvoltă foliculii şi secretă hormoni sexuali.
Acest model „ovaroid” permite studierea biologiei ovarelor umane fără a fi nevoie de prelevarea de ţesut de la pacienţi, şi ar putea permite dezvoltarea de noi tratamente pentru multe afecţiuni, precum infertilitatea şi cancerul ovarian.
Ovaroizii sunt descrişi în detaliu într-o nouă lucrare publicată marţi, în eLife.
„Noua noastră metodă de producere a ovaroizilor, în totalitate umani, este de câteva ori mai rapidă decât metodele hibride umane/şoareci existente, şi reproduce multe dintre funcţiile cheie ale acestor organe, marcând un pas semnificativ înainte în ceea ce priveşte capacitatea noastră de a studia, în laborator, sănătatea reproducerii feminine", a declarat coautorul principal, Merrick Pierson Smela, un student absolvent în laboratorul lui George Church, doctor în ştiinţe la Institutul Wyss şi HMS.
Potrivit acestuia, în viitor, o tehnologie similară ar putea, de asemenea, să trateze infertilitatea prin cultivarea de ovule de la persoane ale căror ovule proprii nu sunt viabile.
O structură somatică de suport din celule stem
Ovarul în curs de dezvoltare conţine atât celule germinale, care se transformă în ovule, cât şi celule somatice, care susţin celulele germinale. Modelele actuale de laborator ale ovarelor folosesc celule germinale umane şi celule somatice de şoarece, dar oamenii de ştiinţă au vrut să vadă, în actuala cercetare, dacă pot convinge celulele stem umane să se dezvolte în ovare funcţionale, complet umane, cu ambele tipuri de celule majore.
Ei au decis să-şi concentreze eforturile asupra celulelor granuloase, un tip de celule somatice ovariene care sprijină dezvoltarea ovulelor nefertilizate în foliculi şi secretă hormonii sexuali estradiol şi progesteron.
La momentul respectiv, nu exista nicio metodă pentru a genera în mod eficient celule granuloase din celule stem pluripotente induse umane (iPSC), aşa că echipa a decis să creeze propriile celule.
Domeniul în plină expansiune al tehnologiei iPSC se bazează pe descoperirea faptului că introducerea unor proteine numite factori de transcripţie (TF) - care se leagă direct de ADN şi controlează dacă anumite gene sunt activate sau dezactivate - în iPSC umane le poate ghida să se diferenţieze în diferite tipuri de celule, cum ar fi neuroni, fibroblaste şi multe altele.
Echipa a ales să urmeze această strategie pentru a produce celule granuloase umane şi a început prin a parcurge seturi de date pentru a identifica acei TF care sunt exprimaţi diferit în celulele granuloase în comparaţie cu alte tipuri de celule.
Ei au identificat un număr de 35 de astfel de TF candidaţi şi au folosit o tehnică numită „transpoziţie piggyBac” (elemente genetice de transport - transpozomi) pentru a insera genele care codificau acei TF în genomul iPSC.
După ce au indus expresia acelor TF ţintă în iPSC, au analizat celulele pentru a vedea care dintre ele produceau şi o proteină denumită FOXL2, care este un semn distinctiv cunoscut al celulelor granuloase.
Ei au identificat şase TF de top care au fost asociaţi cu expresia genelor FOXL2: NR5A1, RUNX1/RUNX2, TCF21, GATA4, KLF2 şi NR2F2. Apoi au testat diferite combinaţii ale acestor candidaţi de top şi au constatat că NR5A1 şi fie RUNX1, fie RUNX2 au crescut în mod constant expresia FOXL2.
Aceste combinaţii au determinat, de asemenea, expresia a două proteine numite AMHR2 şi CD82, care sunt markeri de suprafaţă aflaţi pe celulele granuloase.
Cercetătorii au analizat apoi transcriptomul complet al noilor celule şi au descoperit că acestea exprimau o serie de alte gene cunoscute ca fiind active în celulele granuloase. Comparându-şi datele cu alte studii privind celulele ovariene fetale umane, cercetătorii au descoperit că celulele lor erau foarte asemănătoare, în ceea ce priveşte expresia genică, cu celulele granuloase dintr-un ovar uman la 12 săptămâni de gestaţie - dar că au fost generate în doar cinci zile folosind noua lor metodă.
Echipa trebuia acum să se asigure că aceste noi celule asemănătoare cu celulele granuloase reproduc, de asemenea, funcţiile normale ale celulelor granuloase umane.
Una dintre aceste funcţii este producţia de estradiol din molecula precursoare androstenedionă, care este stimulată în ovar de prezenţa hormonului de stimulare foliculară (FSH).
Cercetătorii au tratat celulele lor asemănătoare cu cele granuloase cu androstendionă, apoi au adăugat FSH. Celulele au reuşit să producă cu succes estradiol din androstendionă fără adaos de FSH şi şi-au sporit producţia atunci când a fost adăugat FSH.
De asemenea, celulele fabricate au produs progesteron, pe care celulele granuloase îl secretă după ovulaţie.
Organoizi 100% umani, realizaţi într-o perioadă de 16% mai scurtă de timp
După ce s-au asigurat că celulele asemănătoare cu cele granuloasele pe care le-au creat funcţionau la fel ca cele reale, cercetătorii le-au cultivat împreună cu celule germinale primordiale umane (hPGCLC) pentru a forma organoizi de ovare, sau „ovaroizi”, care includeau atât celule germinale, cât şi celule somatice.
„Crearea celulelor granuloase a fost o realizare semnificativă, dar realizarea unui ovaroid numai din celule granuloase nu ne-ar fi spus nimic despre capacitatea lor de a susţine maturarea celulelor germinale, ceea ce ne doream să putem studia in vitro”, a declarat coautorul principal, Christian Kramme, doctor în ştiinţe, şi vicepreşedinte al departamentului de inginerie celulară la Gameto.
„Acest proces a fost reprodus anterior folosind hPGCLC şi celule somatice de şoarece, dar cu această nouă tehnologie, avem acum posibilitatea de a crea un model complet uman”, a mai spus cercetătorul.
După patru zile de co-cultură a celulelor asemănătoare celor granuloase cu hPGCLC, ovaroizii rezultaţi au început să producă o proteină numită DAZL, un marker al celulelor germinale, începând procesul lor de maturizare. În schimb, ovaroizii realizaţi cu celule somatice de şoarece nu au exprimat DAZL până în ziua 32.
Celulele germinale umane nu au trăit suficient de mult timp pentru a se dezvolta în continuare în ovaroizi, dar ovaroizii umani au început să formeze structuri goale, asemănătoare unor foliculi, compuşi din celule asemănătoare celor granuloase, după aproximativ 16 zile, în ciuda faptului că nu existau ovaroizi.
Până în ziua 70, în ovaroizi se formaseră numeroşi foliculi de diferite dimensiuni, dintre care unii dezvoltaseră mai multe straturi caracteristice foliculilor maturi, capabili să susţină un ovul.
„Producţia eficientă de ovaroizi complet umani care reproduc semnalizarea hormonală, maturarea celulelor germinale şi formarea foliculilor observate în ovarul uman este o performanţă în sine, dar faptul că acest lucru poate fi realizat în cinci zile, în loc de o lună aşa cum este necesar în cazul ovaroizilor hibrizi om/şoarece, va accelera în mod dramatic descoperirea de informaţii esenţiale despre sănătatea şi reproducţia feminină”, a declarat autorul principal George M. Church, cercetător la Institutul Wyss, şi profesor de genetică la HMS.
Între timp, Gameto a efectuat studii preclinice ale unui sistem de co-cultura derivat pentru maturarea ovulelor la om cu clinici naţionale de fertilitate de top.
Echipa Wyss continuă să-şi dezvolte modelul de ovaroid uman şi intenţionează să integreze şi alte tipuri de celule ovariene, inclusiv celule theca producătoare de hormoni, pentru a reproduce mai complet funcţiile complexe ale ovarului uman.
De asemenea, ei speră să îmbunătăţească sistemul de cultură pentru a permite celulelor germinale să se dezvolte complet în ovule şi să determine doza optimă a diferitelor TF.
