Органоїд — це мініатюрна та спрощена тривимірна версія органу, створена in vitro, яка імітує ключову функціональну, структурну та біологічну складність цього органу.

Органоїди — це тривимірні (3D) клітинні структури, які походять зі стовбурових клітин або тканиноспецифічних клітин-попередників, і точно імітують мікроархітектуру та функціональність конкретних органів або тканин в організмі людини чи тварини.

Науковці біомедицини та біомедичні інженери використовують органоїди для вивчення нормального розвитку, моделювання захворювань у лабораторії, відкриття та розробки ліків, персоналізованої діагностики та медицини, регенеративної медицини, клітинної терапії стовбуровими клітинами, тканинної інженерії та досліджень можливостей друку органів. Історія

Ранні експерименти (1900-ті) Культивування органоїдів міцно базується на методології 3D-культивування клітин, розробленій протягом останнього століття. Ще в 1906 році так званий «метод висячої краплі» дозволяв культивувати клітини в 3D.

Одночасно дослідники вивчали здатність дисоційованих клітин до регенерації. Спроби створити органи in vitro розпочалися з одного з перших експериментів «дисоціації-реагрегації», коли Генрі Ван Пітерс Вілсон у 1907 році продемонстрував, що механічно дисоційовані клітини губки можуть реагрегуватись та самоорганізовуватися для створення цілого організму. Вілсон показав, що губки можна розщепити на окремі клітини, які здатні повторно асоціюватися в тканиноподібні структури. Те ж саме, пізніше, показали на прикладі кишковопорожнинних у 1914 році та ембріональних клітин амфібій у 1940-х рокахHoltfreter J. 1948. The mechanism of embryonic induction and its relation to parthenogenesis and malignancy. In Symposia of the Society for Experimental Biology. Cambridge University Press, Cambridge, England, UK. 17..

1920-1970-ті роки У 1920-х роках увага дослідників зосередилась на ембріології, зокрема на морфогенезі кінцівок, що призвело до розвитку трубчастих культур і методу годинникового скла. Трубчасті культури передбачали вирощування тканин на увігнутій скляній поверхні, на яку вбудовували та культивували фрагменти тканин або зачатки органів. Метод годинникового скла, запроваджений Феллом і Робісоном у 1929 році, використовував увігнуту скляну поверхню, що утримує плазмовий згусток для культивування фрагментів тканини.

До 1950-х років різні органи успішно культивували in vitro, хоча й з обмеженнями. В основному дослідники працювали над тим, щоб уникнути міграції клітин із зразка тканини, намагалися оптимізувати умови газообміну, зменшити некроз. Метод лінзового паперу також дозволив культивувати тонкі зрізи органів протягом цього періоду.

На початку 1950-х років робота Москона з кінцівками курячого ембріона та зачатками нирок привела до створення методів ферментативного травлення, суспензійної культури та реагрегації клітин.

Також, у цю епоху почали з’являтися методи культури на основі колагену. У 1930-х роках Хузелла експериментував з культивуванням клітин на волокнистому колагені.Huzella T. 1932. Orientation de la croissance des cultures de tissus sur la trame fibrillaire artificielle coagulée de la solution de collagène. SAC r. Soc. Biol. Paris. 109:515. Значний розвиток відбувся в 1956 році, коли Роберт Ерманн і Джордж Гей представили метод відновлення колагену, вилученого з сухожиль щурячого хвоста, у вигляді прозорого гелю. Це нововведення полегшило культивування різних клітинних ліній і тканин, покращуючи їх виживання. Роком пізніше, Ласфарг створив метод, використовуючи колагеназу для дисоціації тканини молочної залози дорослої миші, утворюючи органоїди молочної залози (фрагменти проток), позбавлені фібробластів і адипоцитів. Це було передумовою, яка згодом призвела до створення методу отримання мільйонів життєздатних гепатоцитів Беррі та Френдом у 1969 році шляхом перфузії печінки цією самою колагеназою.

У 1970-х роках дослідники помітили, що зміна фізичний вплив на субстрат та клітини може викликати специфічну диференціацію клітин. В той же час, Річард Сварм і його команда працювали над позаклітинним матриксом хондросарком, виділяючи з них гель з характеристиками базальної мембрани, відомий нині як . Цей гель, багатий ламініном, колагеном IV і фібронектином, зіграв вирішальну роль у вдосконаленні методів культивування органоїдів.

1980-2010-ті роки 1980-ті роки ознаменували значний прогрес у біології стовбурових клітин. Виділення та характеристика ембріональних стовбурових клітин (ЕСК) були ключовими досягненнями в цю епоху. ЕСК, з їх потенціалом створювати різноманітні типи клітин, надихнули дослідників досліджувати їх корисність у створенні органоподібних структур.

Не менш вагомими дослідженнями для галузі органоїдів були дослідження впливу культурального середовища чи позаклітинного матриксу на диференціацію клітин. Декілька таких досліджень в 1980-х роках показали значну роль позаклітинного матриксу у регуляції експресії генів та морфогенезу. Подальші дослідження 1990-х років пролили ще більше світла на роль позаклітинного матриксу в диференціації клітин та утворенні тканиноподібних структур, зокрема на взаємодію позаклітинного матриксу з рецепторами клітин інтегринами, що призводить до каскаду реакцій, змінюючих експресію генів та диференціацію клітин.

Подальші дослідження показали, що морфогенез залежить від взаємодії факторів росту, морфогенів і матриксних металопротеїназ, а також від геометрії тканин.

У 2006 році Яков Нахміас і Девід Одде продемонстрували самозбірку судинних органоїдів печінки, які підтримувалися протягом понад 50 днів in vitro. У 2008 році Йошікі Сасаї та його команда з інституту RIKEN продемонстрували, що стовбурові клітини можливо перетворити на кульки нервових клітин, які самоорганізуються в характерні шари. У 2009 році Сато та команда опублікували в Nature своє дослідження, в якому вони використали стовбурові клітини, які експресують LGR5, ізольовані із первинної кишкової тканини, і показали, що ці стовбурові клітини можуть клонально генерувати архітектуру крипт-ворсинок у 3D-культурі. Базуючись на літературі про молочні залози, згаданій раніше, ці автори також використовували Matrigel для проведення своїх 3D культур і доповнювали їх факторами, необхідними для росту епітелію кишки. Були створені органоїди, що складаються з центрального просвіту, вистеленого ворсинчастим епітелієм, і кількох оточуючих криптоподібних доменів. Потім ця методологія була успішно використана в культурах шлунка, підшлункової залози, товстої кишки та печінки. Мишачі та людські ембріональні стовбурові клітини (ЕСК) також використовувалися для генерування органоїдів in vitro, таких як поляризована кортикальна тканина мозку та зорові чаші. Також, у 2010 році було продемонструвано виробництво ниркових органоїдів із реногенних стовбурових клітин мишачого плоду.

Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини, отримані завдяки епігенетичному перепрограмуванню, які стали науковим проривом у 2006 році, за який Сін'я Яманака та Джон Гердон отримали Нобелівську премію з хімії у 2012 році, стали також додатковим інструментом для вивчення морфогенезу і, згодом, стали одним з основних джерел клітин для конструювання органоїдів.

У 2013 році Ланкастер з командою створили метод культивування, який дозволив генерувати з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, отриманих із фібробластів шкіри.

У 2014 році Цюнь Ван і його колеги розробили гелі на основі колагену-I та синтетичні спінені біоматеріали для культивування та доставки кишкових органоїдів, і інкапсулювали функціоналізовані ДНК наночастинки золота в кишкові органоїди, щоб сформувати механізм для доставки ліків і генотерапії. Також, у 2014 році було продемонстровано, що серцево-судинні органоїди можуть утворюватися з ЕСК шляхом модуляції жорсткості субстрату, до якого вони прилипають. Крім того, у 2014 році були створені перші органоїди сітківки.

У 2015 році Такебе з командою продемонстрували узагальнений метод формування зачатка органу з різноманітних тканин шляхом поєднання специфічних тканин-попередників, отриманих із плюрипотентних стовбурових клітин, або відповідних зразків тканини з ендотеліальними клітинами та мезенхімальними стовбуровими клітинами.

У 2017 році була запропонована нова методика утворення церебральних органоїдів, а журнал Nature Methods визнав органоїди «Методом року 2017».

Загалом, у 2010-х роках спостерігався значний сплеск досліджень органоїдів та їх використання для моделювання нормального розвитку чи розвитку захворювань, для розробки й тестування ліків, та для регенеративної медицини.

2020-сучасність Через значний потенціал використання органоїдів в багатьох галузях біомедицини, кількість досліджень органоїдів щороку збільшується, порівняно з початком 2010-х, — експоненційно.

2021 — отримані з ембріональних стовбурових клітин людини церебральні органоїди успішно трансплантовані в місця контрольованого травматичного ураження головного мозку мишей. Трансплантовані органоїди вижили та диференціювалися в різні типи нейрональних клітин, утворювали нові зв'язки та демонстрували спонтанну активність; також були виявлені індукована васкуляризація та зменшення гліального рубця. Що більш важливо, просторове навчання та пам’ять мишей покращилися після трансплантації органоїдів. Ці висновки засвідчили про те, що церебральний органоїд, імплантований у місця травматичного ураження є потенційним терапевтичним методом для ЧМТ. 2022 — коркові церебральні органоїди, отримані зі стовбурових клітин людини й трансплантовані в соматосенсорну кору новонароджених безтимусних щурів, розвивають зрілі типи клітин, які інтегруються в сенсорні та мотиваційні нейронні схеми. В кінці грудня було опубліковане дослідження, що показало успішну інтеграцію мозкових органоїдів з зоровою корою миші. 2023 — органоїди людського мозку знову були успішно інтегровані з зоровою системою дорослого щура після трансплантації у великі пошкоджені порожнини в зоровій корі. Дослідження показало успішне відновлення функції після інтеграції мозкового органоїда в ділянку ішемічного інсульту миші. Також було представлено прецизійну роботизовану платформу культур клітин Cell X для ефективного виробництва специфічних для пацієнта іПСК і органоїдів сітківки, демонструючи потенціал для клінічного конвеєрного виробництва іПСК для аутологічної заміни клітин сітківки; пізніше в серпні було представлено ще одну технологію автоматизованого друку органоїдів для тестування та скринінгу ліків. У серпні вийшло дослідження, що описує успішну трансплантацію щурам серцевих органоїдів, сконструйованих з електропровідними кремнієвими нанодротами, в місця ураження інфарктом міоркарда, що сприяло значному функціональному відновленню серця.

Властивості

Органоїди, культивовані зі стовбурових клітин або тканиноспецифічних попередників, є тривимірними структурами, що відображають структуру та функціональність реальних органів. До них основних властивостей відносяться:

клітинна гетерогенність, що дозволяє вивчати складні процеси та захворювання; самоорганізація, що дозволяє відтворювати органоподібні структури; і функціональність, що імітуює фізіологію органів для дослідження функцій органів, механізмів захворювання та реакції на ліки.

Ланкастер і Кнобліх визначають органоїд як сукупність органоспецифічних типів клітин, які розвиваються зі стовбурових клітин або органів-попередників, самоорганізуються шляхом сортування клітин і просторово обмежені подібно до in vivo, і демонструє наступні властивості:

органоїд має кілька органів-специфічних типів клітин; органоїд здатний повторювати деякі специфічні функції органу (наприклад, скорочення, нервова активність, ендокринна секреція, фільтрація, виділення); його клітини згруповані разом і просторово організовані, подібно до органу.

Розробка органоїдів

Розробка органоїдів включає складний процес, який спрямований на повторення складних структур і функцій різних тканин і органів у контрольованому лабораторному середовищі.

Способи утворення органоїдів

2D проти 3D культурних систем