Organoid

Az organoid (a görög ὄργανον órganon-ból: szerv, eszköz és εἶδος eidos: típus, forma, alak) néhány milliméter méretű, szervszerű mikrostruktúra, amely mesterségesen létrehozható sejttenyésztési módszerekkel . Megfelelő tenyésztési körülmények között organoidokat lehet termeszteni egy vagy néhány szöveti sejtből, embrionális őssejtekből vagy indukált pluripotens őssejtekből . Ha nem használtak mesenchymális őssejteket , akkor az organoidoknak nincs stróma és erek; ennek ellenére fiziológiailag releváns, szervszerű tulajdonságokat mutatnak.

Az Lgr5 + őssejtektől differenciált bél organoid

követelményeknek

Pluripotens őssejtekre van szükség kiindulási anyagként az organoidok előállításához . Az ilyen sejtek olyan állapotban vannak, amelyből képesek megkülönböztetni és együtt felépíteni magukat. Az önszerveződés szövetszerű társulásokat eredményez, amelyek differenciált sejtekből állnak, amelyek alakjukban és funkciójukban különböznek. Az organoidok szerkezete legalább részben hasonló az emberi vagy állati szervekhez.

Az organoidok általában nem keletkeznek agarrétegen ; folyékony táptalajra van szükségük, amely 3D sejttenyészetben lehetővé teszi a térbeli növekedést. Az organoidok előállításához steril sejttenyésztési laboratóriumra van szükség az igényes, konstruktív szövettervezés elvégzéséhez. A biotechnológiai munka és kutatás ezen a területén géntechnológiai eljárások is alkalmazhatók, különösen a CRISPR / Cas módszer .

A termékcsalád a belső szervek (szív, gyomor, belek, vesék) apró modelljeit tartalmazza. Elképesztő előrelépések történtek az agy összetett struktúráiban. Az ilyen agyi organoidok emberekben, emlősökben és ritkábban más gerincesekben modellezik az agykéreg , a hippocampus , a középagy , a hypothalamus , a kisagy , az agyalapi mirigy elülső része és a szem retina formáját . Vannak olyan protokollok a termesztésükhöz, amelyek az agyi régiók fejlődését okozzák.

Agyi organoidok

Cerebrum modellek

Komplex szerkezetek esetén részeredményeket kell összehozni. A kisagy dorsalis és ventralis organoidjaiból dorsoventralis tengelyű kompozitot hoztak létre . A fluoreszkáló riportermolekulák olyan interneuronokat képviseltek, amelyek a ventrálisból a dorsalis agyi egységbe vándoroltak.

Cerebellum modellek

Az emberi embrionális őssejtek tenyészete fokozatosan növekedési faktorokat kínál. Az embrionális idegcsőhöz hasonlító sejtasszociációk önszerveződés útján jöttek létre . Dorsoventrális polaritással és elülső-hátsó igazítással rendelkeztek. A réteges szerkezetek megismételték a kisagy kialakulását. Az indukált Purkinje sejtek pedig kifejezetten emberi tulajdonságokat mutattak.

Több organoid

Szívmodellek

Az indukált pluripotens humán őssejtek (hiPSC) kétdimenziós kolóniáit háromdimenziós kultúrákba helyeztük át. Ily módon apró szívkamrák bukkantak elő, ismét önszerveződés révén. Az alábbi linken egy verő kamrai organoidról készült videó látható.

Gyomor modellek

Az emberi gyomor organoidjait egymás után állították elő in vitro a természetes gyomorfejlődés térbeli és időbeli sejtjeinek utánzásával . A bél- és tüdőszöveteken végzett vizsgálatok modellként szolgáltak. A gyomor modellek alkalmasak olyan sejtek kölcsönhatásának vizsgálatára, amelyek nem hám típusúak, de endoteliális , neuronális vagy mesenchymális sejtek . Az ilyen vizsgálatok célja a genetikai modellezés, a kábítószer -tesztelés és a jövőben a transzplantáció .

Bélmodellek

A bélhám (a bél legfelső sejtrétege, amely a bél lumenének határrétegét és gátját képezi a mikrobiótával) egész életen át megújul, az őssejtek aktív osztódása alapján. Ezek a kripták alján helyezkednek el (a hámréteg invaginációi, amelyeket a vékonybélben dudorok (bolyhok) egészítenek ki). Ezek az őssejtek (Lgr5-pozitív sejtek) fiziológiai körülmények között körülbelül 3-5 nap alatt megújítják a teljes bélhámot. E sajátosság miatt a kripták tenyésztésével kapott bélorganoidok az első organoid modellek közé tartoztak. Ezenkívül bélorganoidok is előállíthatók pluripotens őssejtek specifikus növekedési faktorokkal történő megkülönböztetésével . A bél organoidjai alkalmasak tápanyag- és gyógyszer -szállítási folyamatok kutatására, valamint a hormonok enteroendokrin sejtekből történő felszabadulásának vizsgálatára. Ezenkívül a bélorganoidok különféle enterobaktériumokkal és parazitákkal való fertőzés biológiai vizsgálataihoz is használhatók . Annak érdekében, hogy az organoid modellek még jobban hasonlítsanak az ember vagy állat bélrendszeréhez, bélorganoidokat is lehet tenyészteni az immunsejtekkel együtt .

Vese modellek

Az emberi vese alegységei prekurzor sejtjeit megkülönböztethetjük egy nephron protokoll szerint. Megfelelő biomarkereket használtunk a podociták , proximalis vesetubulusok , Henle hurkok és distalis tubulusok kimutatására . A szerkezeti szekvencia egyenértékű volt egy in vivo nephronnal . Egy áttekintő cikk beszámol a proximális vesetubulusok működésének bizonyításáról, amelyek az endocitózis révén dextránt fogyasztottak . A veleszületett vesebetegségeket szimulálni lehetett olyan organoidokkal, amelyek humán pluripotens őssejtjeibe patogén mutációkat vezettek be a CRISPR segítségével. Ily módon (ismeretlen) gének nyomon követhetők, amelyek vesebetegségeket okoznak.

Kutatási célok

  • Gyógyszerek tesztelése, amely csökkentheti az állatkísérletek számát.
  • Képviseli a differenciálódás és az önszerveződés gén-kaszkádjait.
  • Azonosítsa azokat a génmutációkat, amelyek felelősek a szervek szerkezeti hibáiért vagy azok működési zavaraiból.
  • Develop szervadományozás és sejt adományokat kapott a beteg testén keresztül az indukciós őssejtek. Az ilyen őssejt -terápiák a tökéletesen illeszkedő beteg sejteket egészségesekkel helyettesítik; a személyre szabott orvoslás reménysége .

irodalom

  • Madeline A Lancaster, Jürgen A Knoblich : Organogenezis egy edényben: a fejlődés és a betegség modellezése organoid technológiák segítségével. In: Science , 345 (6194), 2014, 1247125. o. Doi: 10.1126 / science.1247125. → Elvileg a pluripotens őssejtek minden sejttípust képesek előállítani. Ezt a képességet használják a szervek vagy betegségeik fejlődésének modellezésére.
  • Jürgen A Knoblich: Mini-agyak a laboratóriumból . In: A tudomány spektruma . 12/2017, 30–37.
  • Ulrich Bahnsen: Itt nőnek az agyak . In: Die Zeit , 17/2018, 35–36.
  • A Lavazza, M Massimini: Agyi organoidok: etikai kérdések és tudatértékelés. In: J Med Ethics , 2018. február. Doi: 10.1136 / medethics-2017-104555 ; nyomás alatt.

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ Gretel Nusspaumer, Sumit Jaiswal, Andrea Barbero, Robert Reinhardt, Dana Ishay Ronen, Alexander Haumer, Thomas Lufkin, Ivan Martin, Rolf Zeller: A mesenchymális stroma sejtpopulációk ongénes azonosítása és elemzése az egér végtagjai és a hosszú csontfejlődés során. In: Stem Cell Reports , 2017. 9., 1124–1138.
  2. ↑ Elizabeth Di Lullo, Arnold R Kriegstein: Az agyi organoidok használata az idegfejlődés és a betegségek vizsgálatában. In: Nat Rev Neurosci 18 (10), 2017, pp. 573-584, PMC 5667942 (ingyenes teljes szöveg).
  3. ↑ Joshua A Bagley, Daniel Reumann, Juergen A Knoblich : Részletes agyi organoidfúziós módszer. In: Protocol Exchange , 2017, doi: 10.1038 / protex.2017.064 .
  4. ↑ Joshua A Bagley, Daniel Reumann, Shan Bian, Julie Lévi-Strauss, Juergen A Knoblich: Az összeolvadt dorsalis-ventrális agyi organoidok komplex kölcsönhatásokat modelleznek a különböző agyi régiók között. In: Nature Methods , 14 (7), 2017, 743-751, PMC 5540177 (ingyenes teljes szöveg).
  5. ↑ Keiko Muguruma, Ayaka Nishiyama, Hideshi Kawakami, Kouichi Hashimoto, Yazici Sasai: A polarizált kisagyi szövet önszerveződése az emberi pluripotens őssejtek 3D kultúrájában. In: Cell Rep 10 (4), 2015, 537-550. cell.com (PDF).
  6. ↑ Plansky Hoang, Jason Wang, Bruce R Conklin, Kevin E Healy, Zhen Ma: Términtás korai fejlődésű szívorganoidok generálása humán pluripotens őssejtek felhasználásával. In: Nature Protocols , 13 (4), 2018, 723-737. A link végén: videó egy dobogó szívkamra modellről, 600 μm átmérőjű .
  7. ↑ Alexandra K Eicher, H Matthew Berns, James M Wells: A fejlesztési elvek fordítása emberi gyomorszervek előállítására. In: Cell Mol Gastroenterol Hepatol , 5 (3), 2018, 353-363, PMC 5852324 (ingyenes teljes szöveg).
  8. ↑ Barker, N., van Es, J., Kuipers, J. et al. Az őssejtek azonosítása a vékonybélben és a vastagbélben az Lgr5 markergén segítségével. Nature 449: 1003-1007 (2007). https://doi.org/10.1038/nature06196
  9. ↑ Sato, T., Vries, R., Snippert, H. et al. Az egyetlen Lgr5 őssejt in vitro kripta-villus szerkezeteket épít mesenchymalis rés nélkül. Nature 459: 262-265 (2009). https://doi.org/10.1038/nature07935
  10. ↑ Shizuka Miura, Atsushi Suzuki: A bélorganoidok előállítására vonatkozó jelenlegi protokollok rövid összefoglalása . In: Fejlődés, növekedés és differenciálódás . szalag 60 , nem. 2018. augusztus 6. , ISSN  0012-1592 , p. 387-392 , doi : 10.1111 / dgd.12559 ( wiley.com [letöltve: 2021. szeptember 7.]).
  11. ↑ Tamara Zietek, Pieter Giesbertz, Maren Ewers, Florian Reichart, Michael Weinmüller: Organoidok a bél tápanyagszállításának, a gyógyszerek felvételének és anyagcseréjének tanulmányozásához - az emberi modell frissítése és az alkalmazások bővítése . In: Határok a biomérnökségben és a biotechnológiában . szalag 8 , 2020, ISSN  2296-4185 , doi : 10.3389 / fbioe.2020.577656 ( frontiersin.org [letöltve: 2020. szeptember 13.]).
  12. ↑ Tamara Zietek, Eva Rath, Dirk Haller, Hannelore Daniel: Bélorganoidok a tápanyagszállítás, az érzékelés és az inkretinszekréció értékeléséhez . In: Tudományos jelentések . szalag 5 , nem. 1 , november 19, 2015, ISSN  2045-2322 , p. 16831 , doi : 10.1038 / srep16831 ( nature.com [letöltve: 2020. szeptember 13.]).
  13. ↑ Petra Geiser, Maria Letizia Di Martino, Pilar Samperio Ventayol, Jens Eriksson, Eduardo Sima: Salmonella enterica Serovar Typhimurium kihasználja a kerékpározást a hámsejteken keresztül, hogy kolonizálja az emberi és egér enteroidákat . In: mBio . szalag 12 , nem. 1 , 2021. február 23., ISSN  2161-2129 , doi : 10.1128 / mBio.02684-20 , PMID 33436434 , PMC 7844539 (ingyenes teljes szöveg)-( asm.org [hozzáférés 2021. szeptember 7.]).
  14. ↑ Benjamin J. Koestler, Cara M. Ward, CR Fisher, Anubama Rajan, Anthony W. Maresso: Az emberi bél enteroidák mint Shigella patogenezis modellrendszere . In: Fertőzés és immunitás . szalag 87 , nem. 2019. április 4 , ISSN  0019-9567 , doi : 10.1128 / IAI.00733-18 , PMID 30642906 , PMC 6434139 (ingyenes teljes szöveg)-( asm.org [letöltve: 2021. szeptember 7.]).
  15. ↑ Sridevi Ranganathan, Michele Doucet, Christen L. Grassel, BreOnna Delaine-Elias, Nicholas C. Zachos: A Shigella flexneri Pathogenesis értékelése a humán enteroid modellben . In: Fertőzés és immunitás . szalag 87 , nem. 2019. április 4 , ISSN  0019-9567 , doi : 10.1128 / IAI.00740-18 , PMID 30642900 , PMC 6434113 (ingyenes teljes szöveg)-( asm.org [letöltve: 2021. szeptember 7.]).
  16. ↑ Devanjali Dutta, Inha Heo, Roberta O'Connor: Cryptosporidium fertőzés tanulmányozása 3D szöveti eredetű humán organoid tenyésztési rendszerekben mikroinjekcióval . In: Journal of Visualized Experiments . Nem. 151. , 2019. szeptember 14., ISSN  1940-087X , p. 59610 , doi : 10.3791 / 59610 ( jove.com [letöltve: 2021. szeptember 7.]).
  17. ↑ Gaelle Noel, Nicholas W. Baetz, Janet F. Staab, Mark Donowitz, Olga Kovbasnjuk: Elsődleges humán makrofág-enteroid együtt-tenyésztési modell a nyálkahártya bél fiziológiájának és a gazda-kórokozó kölcsönhatások vizsgálatának . In: Tudományos jelentések . szalag 7 , nem. 1. , 2017. május 31., ISSN  2045-2322 , p. 45270 , doi : 10.1038 / srep45270 , PMID 28345602 , PMC 5366908 (ingyenes teljes szöveg) - ( nature.com [hozzáférés 2021. szeptember 7.]).
  18. ↑ Ryuji Morizane, Albert Q Lam, Benjamin S Freedman, Seiji Kishi, M Todd Valerius, Joseph V Bonventre: Az emberi pluripotens őssejtekből származó nefron organoidok modellezik a vesék fejlődését és sérülését. In: Nat Biotechnol , 33 (11), 2015, 1193-1200, PMC 4747858 (ingyenes teljes szöveg).
  19. ↑ Elena Garreta, Nuria Montserrat, Juan Carlos Izpisua Belmonte: Vese organoidok a betegségek modellezéséhez. In: Oncotarget 9 (16), 2018, 12552-12553.