به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، ارگانوئیدها زمینه‌های تحقیقات بیولوژیکی و پزشکی را متحول کرده‌اند و این فناوری ثابت کرده است که جایگزینی عالی برای مدل‌های حیوانی در مطالعات پیش بالینی است. در اینجا، ما به اینکه ارگانوئید چیست و چگونه آنها در طول سال‌ها توسعه‌یافته‌اند تا به ابزارهای تحقیقاتی محبوب تبدیل شوند خواهیم پرداخت. در این مطالعه بینشی دقیق در مورد تکنیک‌های کشت و کاربردهای ارگانوئیدهای مختلف که شبیه تومورها و ساختارهای بدن مانند مغز، ریه‌ها، روده‌ها، کبد، کلیه‌ها و شبکیه هستند ارائه شده است.

ارگانوئید چیست؟

ارگانوئیدها سیستم‌‎های کشت سلولی سه بعدی هستند که می‌توان آنها را "ارگان‌های کوچک" یا شبه اندام نامید زیرا برخی از ویژگی‌های کلیدی چون تنوع چند سلولی و حتی عملکردی اندام‌های واقعی را تقلید می‌کنند.

تعریف ارگانوئید

اصطلاح ارگانوئید به کشت سه بعدی از انواع سلول‌های مختلف مشتق شده از ریزنمونه‌های بافتی، تومورها، سلول‌های بنیادی یا سایر سلول‌های پیش ساز اشاره دارد که تحت شرایط کنترل شده خود سازماندهی می‌شوند و به انواع سلول‌های عملکردی تمایز می‌یابند تا پیچیدگی، آناتومی و فیزیولوژی یک اندام را به دست آورند.

جدیدترین نحوه ساخت و یا کشت ارگانوئیدها

ESCها، iPSCها، سلول‌های بنیادی سوماتیک و سلول‌های سرطانی همگی می‌توانند برای ایجاد ارگانوئید استفاده شوند. برای تهیه سوسپانسیونی از این سلول‌ها یا قطعات، می‌توان آنها را با استفاده از تفکیک مکانیکی یا آنزیمی از بافت‌ها، اندام‌ها و یا از ارگانوئیدهای منجمد شده به دست آورد. این سلول‌ها یا قطعات بافت ابتدا در محیط تمایز بر روی صفحات با اتصال کم به مدت 5 تا 7 روز کاشته می‌شوند تا توده‌های سلولی سه بعدی به نام توده‌های کروی شکل تولید کنند. تشکیل این کروی‌ها همچنین می‌تواند با استفاده از کشت سوسپانسیون معمولی، راکتورهای کوچک زیستی یا بطری‌های غلتکی انجام شود. سپس این ساختارهای کروی در ECM مایع، ماتریژل‌ها یا ژل‌های مبتنی بر آگارز کشت داده می‌شوند. ژل‌ها در دمای 37 درجه سانتیگراد پلیمریزه می‌شوند تا یک کشت سه بعدی به دست آید که با محیط انبساط و بلوغ ارگانوئیدی تکمیل می‌شود تا رشد انواع سلول‌های مورد نظر را تحریک کند و در نتیجه ساختارهای اندام مانندی ایجاد ‌شود. به عنوان مثال، یک محیط مکمل با فاکتور رشد EGF رشد ارگانوئیدهای اپیتلیال و تومور را تحریک می‌کند. به طور کلی، ارگانوئیدهای کاملاً رشد یافته و عملکردی پس از 30 تا 60 روز (شاید حتی بیشتر) در محیط بلوغ پیدا می‌کنند. این ارگانوئید بالغ را می‌توان برای حدود 100 روز (گاهی تا یک سال) با تغییر محیط بلوغ هر 10 روز یک یا دو بار پاساژدادونگهداری کرد. برای پاساژدادن، محیط بلوغ برداشته می‌شود و ارگانوئیدها به آرامی با استفاده از سمپلرهای تفکیک سلولی به مدت 15-20 دقیقه به قطعات کوچکتر شکسته می‌شوند و سپس پیپتینگ( پیپت سلولی) شدید انجام می‌شود. پس از چند مرحله سانتریفیوژ و شستشو، گلوله‌های ارگانوئیدی به دست آمده در نهایت در ECM مایع معلق می‌شوند تا کل فرآیند تولید ارگانوئید تکرار شود. با تفکیک کامل این ارگانوئیدهای منجمد، می‌توان ارگانوئیدها را انجماد کرد و ارگانوئیدهای تازه تولید کرد. این پروتکل با خصوصیات اندام هدف یا ساختار بدنی که باید بازسازی شود سازگار است.

تعاملات بین سلولی و سلول-ماتریکس

 ECM  یا ماتریکس بین سلولی، ساختاری را فراهم می‌کند تا عملکردها و ارتباطات سلولی مناسب بافت‌ها برای ایجاد اندام‌های بیولوژیکی را فراهم کند. در واقع ارگانوئیدها فرصتی برای مطالعه فعل و انفعالات سلول به ECM و همچنین تعاملات سلول به سلول در سطح سه بعدی و امکان برهمکنش بین انواع سلول‌های متعدد و شبیه ساختارهای پیچیده اندام مانند را فراهم می‌کنند. استفاده از ارگانوئیدهای انسانی مکانیسم‌های خاص گونه را حذف می‌کند و جایگزین‌های مؤثری برای مدل‌های حیوانی برای مطالعه اندام‌های انسان را ارائه می‌کند و از این رو فرصتی برای انجام مطالعات مکانیکی در سیستم «مدل انسانی»هستند.

   مدل‌سازی در سطح فردی(پزشکی فرد محور):

 ارگانوئیدها همچنین می‌توانند از افراد یا بیماران منفرد تولید شوند تا داده‌های سلولی، مورفولوژیکی و سایر داده‌های علمی را در سطح فردی ارائه دهند. به عنوان مثال، توموروئیدها، ارگانوئیدهای متعدد متشکل از اندام‌های فردی یا چند اندام روی یک تراشه، اجازه می‌دهد تا پاتوژنز بیماری یا پاسخ‌های درمانی جمعی یک فرد مورد مطالعه قرار گیرد. ارگانوئیدها می‌توانند به طور مؤثری برای مدل‌سازی مکانیسم‌های بیماری‌ها و آزمایش اثربخشی نامزدهای دارویی و سایر مداخلات درمانی برای بیماری‌ها استفاده شوند

کاربرد ارگانوئیدها

با توجه به مزایای ذکر شده در بالا، ارگانوئیدها کاربردها و پیشرفت‌های بالقوه ای را در زمینه‌های تحقیقات پایه، زیست شناسی تکوینی، مهندسی بافت، آزمایش دارو و غربالگری ارائه می‌دهند. به عنوان مثال می‌توان به مواردزیر اشاره کرد.

پزشکی فردمحور

ارگانوئیدها به‌عنوان بهترین مدل‌ها برای مطالعه تنوع فرد به فرد در پاتوژنز بیماری‌ها، پاسخ‌های فردی به درمان‌ها و کمک به درمان‌های متناسب با نیازهای فردی عمل می‌کنند. ارگانوئیدها پتانسیل مطالعه مکانیسم‌های مشترک یا منحصر به فرد مختلف را در توسعه و عملکرد ارائه می‌دهند، حتی در ایجاد اندام‌ها، پیشرفت بیماری یا عفونت‌ها/آلرژی‌هایی که ممکن است با مکانیسم‌های دخیل در رده‌های سلولی یا مدل‌های حیوانی متفاوت باشند، حتی برای غربالگری بیوبانک ارگانوئیدی ارتباط بین پروفایل‌های ژنتیکی و پاسخ‌های دارویی را برای سرطان‌های کولورکتال، پستان، پروستات و کبد اهمیت زیادی را نشان داده است.  در مجموع مطالعه ارگانوئیدهای مشتق شده از بیمار، دقت 88 درصدی را در پیش‌بینی پاسخ و 100 درصد دقت را در پیش‌بینی عدم پاسخ به درمان‌های دارویی بیماران مبتلا به سرطان متاستاتیک متاستاتیک دستگاه گوارش را ارائه می‌کند.

کشف مواد مخدر

 ارگانوئیدها به عنوان روش‌های سریع و قابل اعتماد برای آزمایش سمیت دارو، کشف دارو، غربالگری و اعتبار سنجی عمل می‌کنند. تاکنون نیز سمیت 238 داروی عرضه شده در ارگانوئیدهای کبدی، 25 داروی قلبی فعال در ارگانوئیدهای قلبی، سیس پلاتین و جنتامایسین در ارگانوئیدهای کلیوی، 39 داروی اسهال زا در ارگانوئیدهای روده ای و وین کریستین و روتنون در ارگانوئیدهای مغزی آزمایش و گزارش شده است.

مدل سازی بیماری

با توجه به اینکه ارگانوئیدهای مبتنی بر iPSC انسانی نسبت به پاتوژن‌ها حساس هستند و ابزار بالقوه‌ای برای مدل‌سازی تعاملات میزبان و پاتوژن در طول عفونت‌های باکتریایی یا ویروسی فراهم می‌کنند. همچنین از ارگانوئیدهای مغزی و عصبی برای مدل سازی عفونت ویروس زیکا به کار گرفته شده است. همینطور، ارگانوئیدهای روده ای توانسته‌اند با موفقیت پاتوبیولوژی روتاویروس را مدلسازی کنند و ارگانوئیدهای نیز معده برای مدل سازی عفونت باکتریایی توسط هلیکوباکتر پیلوری استفاده شده‌اند. ارگانوئیدهای ریه مشتق شده از PSC انسان، جنبه‌های مختلف عفونت SARS-CoV-2 از جمله تروپیسم سلولی، چگونگی تأثیر پروفایل ژنتیکی بر حساسیت به عفونت ویروس، مکانیسم‌های ورود و تکثیر ویروس در میزبان، تغییرات پس از عفونت وپاسخ‌های سلول میزبان را به خوبی نشان داده‌اند. جهش‌های پاتولوژیک را می‌توان با CRISPR-Cas9 یا سایر روش‌های ویرایش ژن به ارگانوئیدهای سالم وارد کرد تا تأثیر این جهش‌ها در توسعه سرطان بررسی شود. آدنوم-کارسینوم کولورکتال را می‌توان با وارد کردن جهش‌های محرک در ژن‌های APC، KRAS، TP53، SMAD4 و PIK3CA ارگانوئیدهای سالم بازسازی کرد، در حالی که آدنوکارسینوم مجرای پانکراس را می‌توان با ایجاد جهش در ژن‌های محرک KRAS، CDKN2A، TPoid53 در اندام سالم ایجاد کرد.

زیست شناسی تکاملی

ارگانوئیدها را می‌توان برای تقلید از رویدادهای مورفوژنتیک برای ارائه بینش دقیق در مورد رشد و عملکرد بافت‌ها و اندام‌ها استفاده کرد. ارگانوئیدهای ساخته شده از ESCهای موش و انسان خودسازماندهی می‌شوند و برای تشکیل جنین نیز کشت داده می‌شوند و بینش جدیدی را در مورد فرایند تکوینی اولیه جنین پستانداران ارائه می‌دهند. همچنین، ارگانوئیدها سیستم‌های مدلی را برای مطالعه مکانیسم‌های خود سازمان‌دهی در شرایط مختلف، افزایش درک ما از خود سازمان‌دهی و کنترل رفتارهای چند سلولی پیچیده در شرایط آزمایشگاهی ارائه می‌دهند.

علاوه بر ESCها، iPSCها و PSCهای جداشده از بافت‌های خاص برای مطالعه زیست‌شناسی تکوینی بافت‌ها و اندام‌های خاص حیاتی هستند، زیرا ارگانوئیدهایی که از بخش‌های مختلف دستگاه تناسلی زنان بازسازی می‌شوند، تا حد زیادی می‌توانند درک ما از اندام‌های تناسلی را بهبود ببخشند و راه‌هایی را برای مراقبت شخصی برای زنان دارای عوارض باز می‌کنند. در سال 2019، ارگانوئیدهای پوستی با لایه‌هایی از پوست حاوی فولیکول‌های رنگدانه‌ای مو، با موفقیت ایجاد شدند که ایجاد این ساختارها می‌توانند نقش مهمی در درمان‌های بازسازی پوست داشته باشند.

جایگاه فعلی ارگانوئیدها

با توجه به پتانسیل عظیم ارگانوئیدها، تحقیقات فعلی به طور گسترده بر بهبود ارگانوئیدها برای پزشکی فردمحور برای بیماری‌ها و شرایط تکوینی ایجاد اندام‌های مختلف تمرکز دارد.

پایان مطلب/.