Organoidy to miniaturowe, uproszczone organy które są modelem badawczym dla swoich pierwowzorów: posiadają zdolność do samoorganizacji w trójwymiarowe struktury, zdolność do samo-odnawiania oraz zachowania specyficznego profilu ekspresji kwasów nukleinowych i białek (czyli „struktury” genetycznej oraz białkowej). Różnią się między sobą wielkością otrzymywanych „mikro-organów”, teoretycznie każdy organ może stanowić punkt wyjścia dla produkcji organoidów. W praktyce sprawa jest bardziej skomplikowana – na powodzenie w hodowli organoidów wpływ mają zarówno oddziaływania bezpośrednio pomiędzy komórkami, jak i sygnały które dochodzą z organizmu, stąd dopiero wraz z postępem wiedzy stopniowo uzyskuje się hodowle in vitro kolejnych organów. Do tej pory z sukcesem otrzymano organoidy nerek, mózgu, poszczególnych odcinków przewodu pokarmowego, wątroby a kolejne są w trakcie opracowywania.
Kluczowe pytanie- skąd tak gwałtowny rozwój w obszarze hodowli 3D? Ponieważ jest to model najbliższy warunkom naturalnym, jeśli chodzi o kultury in vitro. W naszym organizmie komórki organizują się przestrzennie, formując określone osie symetrii. Także przestrzennie zorganizowane są w tkanki, a z tkanek w organy. Sygnały do i od komórek przechodzą w sposób przestrzennie zorganizowany, podobnie jak dyfuzja płynów wraz z substancjami w nich rozpuszczonymi. Hodowle 3D w odpowiedzi na stymulację, mają reakcję bardziej zbliżoną do tej w organizmie, w porównaniu do kultur 2D. Stąd niebagatelne znaczenie tych hodowli w modelowaniu przebiegu chorób, badaniach z zakresu biologii rozwoju, analizach cytotoksyczności , farmakokinetyki leków czy innych. W odróżnieniu od badań na zwierzętach, hodowle organoidów zapewniają z kolei wysoką przepustowość testów, możliwość modyfikacji genetycznych czy stymulowania „biochemicznego”, potencjalnie mniejszy koszt eksperymentów. Są ważne z punktu widzenia etyki oraz dobrostanu zwierząt: pozwalają przy dobrze opracowanych modelach zmniejszyć grupy badawcze bądź umożliwić całkowitą rezygnację z udziału zwierząt w eksperymentach naukowych.
Wykorzystanie organoidów w medycynie regeneracyjnej wkracza powoli w fazę, gdzie techniki te będą standardową częścią procedur medycznych. Dobrymi przykładami są dwa organy: skóra oraz jelito grube. Wiąże się to ze zdolnościami do regeneracji organoidów, które spoczywa na obecnych w nich komórkach macierzystych, które możemy podzielić na trzy typy: indukowane komórki macierzyste, czyli komórki poddane inżynierii genetycznej a następnie stymulowane sygnałami zewnątrz-komórkowymi; pluripotencjalne komórki macierzyste, pozyskane na wczesnym etapie różnicowania organizmu, oraz komórki macierzyste stanowiące pulę komórek w „dorosłej” tkance. Zdolność do wzrostu, samo-odbudowy, pozwala stosować organoidy dla potrzeb „medycyny spersonalizowanej”, do ich założenia może być wymagana niewielka ilość materiału i często wystarcza materiał biopsyjny od pacjenta.
Rozwijany przez nas model polega na hodowli komórek macierzystych jelita cienkiego pozyskanych z tzw. „krypt” – wgłębień w nabłonku jelita, chronionych przed wpływem środowiska treści jelitowej, gdzie na dnie znajdują się pośród innych, komórki macierzyste zwane CBC (ang. crypt base columnar). Dają one początek innym typom komórek nabłonka jelita, ich podziały pozwalają przesuwać komórki w kierunku końca kosmka jelitowego gdzie gradualnie ulegają apoptozie a ich czas trwania sięga do 5 dni. Komórki przesuwając się w ten sposób opuszczają „mikrośrodowisko sygnalizacyjne”, które utrzymuje komórki CBC w stanie niezróżnicowanym i zaczynają się różnicować w kierunku poszczególnych typów komórek: wydzielniczych oraz absorbcyjnych. Po przeniesieniu fragmentu tkanki do warunków in vitro oraz zapewnieniu brakującej stymulacji otaczającego środowiska, komórki krypt jelitowych zaczynają naturalnie odtwarzać nabłonek jelita cienkiego: układ kosmki/krypty. Organoidy jelita cienkiego są wykorzystywane w badaniach oddziaływań pomiędzy nabłonkiem jelit a mikroorganizmami (w tym nad chorobami dającymi wspólne objawy – biegunkę), stanowią użyteczną platformę dla badań przesiewowych dla substancji aktywnych oraz dla potrzeb medycyny spersonalizowanej. Mogą pomóc monitorować cytotoksyczność wszelkich substancji które dostają się do jelit bądź są w nich wytworzone. Pierwszym gatunkiem, który posłuży do opracowania modelu organoidów jelita cienkiego jest świnia, gatunek o zbliżonej do człowieka budowie i funkcjonowaniu układu pokarmowego. W tym konkretnym przypadku prezentowany model wykorzystany zostanie w badaniach żywieniowych, kolejnym przykładem zastosowania hodowli organoidów.

Zapraszamy do współpracy, na zasadach współpracy naukowej bądź komercyjnej, do wykorzystywania rozwijanego przez nas modelu jelita cienkiego (organoidów) pochodzenia świńskiego, a w niedalekiej przyszłości także innych gatunków. Posiadamy zaplecze oraz doświadczenie również w zakresie badań z zakresu genomiki oraz proteomiki, oprócz wspomnianego laboratorium kultur in vitro komórek pierwotnych oraz immortalizowanych.

Prezenter:
Wojciech Witarski
IZOO

Pracownik Instytutu Zootechniki PIB, Zakładu Biologii Molekularnej Zwierząt, gdzie kieruje pracownią hodowli komórkowych. Doktorat obronił na Słowackiej Akademii Nauk oraz na Uniwersytecie Komeniusa z badań nad metastazą komórek nowotworowych, wpływem hypoxii oraz zmian pH środowiska na ruchliwość komórek.
W jego obszarze zainteresowań leżą badania nad osteoartrozą, neoplazjami skóry o etiologii wirusowej. Pracownia wspiera inne badania hodowlami 2D oraz 3D różnych typów komórek.