Czym są organoidy?
Organoidy to miniaturowe, trójwymiarowe struktury komórkowe, które w warunkach laboratoryjnych odtwarzają budowę i podstawowe funkcje prawdziwych narządów. Powstają z komórek macierzystych – zdolnych do samoodnowy i różnicowania się w różne typy komórek. W odpowiednich warunkach, przy dostarczeniu odpowiednich czynników wzrostu dochodzi do samoorganizacji komórek w struktury przypominające tkanki, takie jak: mózg, jelito, nerka, wątroba czy płuca.
W przeciwieństwie do pełnowymiarowych narządów, organoidy są znacznie prostsze – nie mają naczyń krwionośnych, unerwienia ani pełnej złożoności organizmu. Mimo to zachowują wiele cech charakterystycznych dla prawdziwych narządów, dzięki czemu świetnie sprawdzają się jako modele do badań biologicznych i medycznych.
Historia badań nad organoidami sięga początku XXI wieku, kiedy naukowcy po raz pierwszy odkryli, że komórki macierzyste mogą spontanicznie tworzyć złożone struktury przestrzenne. Prawdziwy przełom nastąpił jednak w 2009 roku, gdy grupa prof. Hansa Cleversa z Uniwersytetu w Utrechcie wyhodowała pierwsze organoidy jelitowe z ludzkich komórek macierzystych. Od tego momentu rozwój tej dziedziny nabrał ogromnego tempa – dziś w laboratoriach na całym świecie powstają miniaturowe wersje niemal wszystkich narządów człowieka.
Przeczytaj również:
Amputacja nogi – przyczyny, przebieg, powikłania, rehabilitacja
Jak powstają organoidy?
Proces wytwarzania organoidów zaczyna się od komórek macierzystych - najczęściej są to embrionalne komórki macierzyste (ESC) lub indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (induced pluripotent stem cells), które można uzyskać np. z komórek skóry pacjenta. To właśnie ich niezwykła zdolność do przekształcania się w różne typy komórek umożliwia odtworzenie złożonych struktur przypominających prawdziwe narządy.
W laboratorium hodowla organoidów przebiega etapami. Najpierw komórki są umieszczane w specjalnym żelu matrycowym, który naśladuje środowisko zewnątrzkomórkowe i pozwala im tworzyć trójwymiarowe kolonie. Następnie do hodowli dodaje się „narzędzia” – czynniki wzrostu i sygnały molekularne, które kierują różnicowaniem komórek macierzystych w odpowiednie tkanki. Z czasem struktura samoorganizuje się, przyjmując kształt i funkcje charakterystyczne dla danego narządu.
Współczesne laboratoria korzystają z coraz bardziej zaawansowanych metod i narzędzi, które usprawniają ten proces.
Jedną z nich stanowią hodowle 3D pozwalające komórkom rosnąć w przestrzeni, a nie – jak wcześniej –na płaskiej powierzchni szalki. Kolejnym krokiem w rozwoju tej dziedziny jest bioprinting, czyli drukowanie organoidów warstwa po warstwie z użyciem tzw. bioatramentów zawierających żywe komórki. Pozwoli to badaczom kontrolować kształt i skład tworzonej struktury, co przybliża medycynę do wizji drukowania pełnowymiarowych organów w przyszłości.
Przeczytaj również:
Przeszczep szpiku – na czym polega? Kiedy się go stosuje? Kto może zostać dawcą?
Rodzaje organoidów
W zależności od tego, z jakich komórek powstają i jakie sygnały biologiczne otrzymują w trakcie hodowli, organoidy mogą odtwarzać różne narządy ludzkiego ciała. Każdy ich typ ma nieco inną strukturę, funkcję i zastosowanie badawcze.
Organoidy mózgowe to jedne z najbardziej złożonych modeli. Powstają z komórek macierzystych różnicowanych w stronę neuronów i komórek glejowych. Choć nie przypominają w pełni prawdziwego mózgu, potrafią tworzyć warstwową strukturę kory mózgowej oraz sieci połączeń nerwowych. Umożliwiają badania nad: rozwojem układu nerwowego, chorobami neurodegeneracyjnymi czy autyzmem.
Organoidy jelita charakteryzują się obecnością licznych kosmków i krypt – struktur typowych dla prawdziwej błony śluzowej jelit. Dzięki nim można badać procesy: trawienia, wchłaniania substancji odżywczych, a także reakcje komórek na infekcje bakteryjne czy leki.
Organoidy wątroby z kolei zawierają hepatocyty i komórki dróg żółciowych, co pozwala na testowanie toksyczności leków oraz badanie chorób metabolicznych.
Coraz częściej wykorzystuje się je też w medycynie spersonalizowanej – do oceny, jak konkretne leki będą działały u danego pacjenta.
Poza nimi badacze potrafią już tworzyć organoidy: nerek, płuc, trzustki, siatkówki oka, a nawet serca. Każdy z tych modeli różni się sposobem hodowli i stopniem odwzorowania oryginalnego narządu, jednak wszystkie łączy jedno – pozwalają badać ludzką biologię w sposób, który dotąd był niemożliwy bez bezpośrednich eksperymentów na tkankach człowiek.
Przeczytaj również:
Przeszczep nerki – wskazania, przeciwwskazania, powikłania
Zastosowanie organoidów w medycynie
Organoidy zrewolucjonizowały sposób, w jaki naukowcy badają ludzkie choroby i opracowują nowe terapie. Dzięki nim można obserwować procesy chorobowe w warunkach zbliżonych do tych, jakie panują w organizmie człowieka – bez potrzeby wykonywania inwazyjnych badań czy eksperymentów na zwierzętach.
Bardzo ważnym zastosowaniem organoidów są badania nad chorobami i testowanie leków.
Miniaturowe narządy pozwalają na analizę, jak rozwijają się: nowotwory, choroby neurodegeneracyjne czy infekcje wirusowe. Na przykład organoidy płuc i jelit wykorzystano do badań nad zakażeniem wirusem SARS-CoV-2, co pomogło zrozumieć mechanizmy wnikania wirusa do komórek. W testach farmakologicznych organoidy umożliwiają sprawdzenie skuteczności i toksyczności nowych substancji jeszcze przed rozpoczęciem badań klinicznych.
Równie szybko rozwija się zastosowanie organoidów w medycynie spersonalizowanej. Z komórek pacjenta – na przykład pobranych ze skóry – można stworzyć jego własne organoidy i sprawdzić, jak reagują one na konkretne leki. Dzięki temu lekarze otrzymają metodę na dobór terapii „szytej na miarę”, dopasowanej do indywidualnych cech genetycznych chorego.
W dłuższej perspektywie organoidy mogą odegrać ogromną rolę w transplantologii i regeneracji tkanek. Choć na razie są zbyt małe i niedoskonałe, by zastąpić prawdziwe organy, badania nad ich dojrzewaniem i integracją z tkankami biorcy postępują bardzo szybko. Badacze wierzą, że w przyszłości możliwe będzie wykorzystanie organoidów do naprawy uszkodzonych narządów, a nawet do tworzenia biozgodnych przeszczepów.
Przeczytaj również:
Ksenotransplantacja – przeszczep międzygatunkowy – co to jest?
Dlaczego organoidy nie zastąpią jeszcze prawdziwych organów?
Choć organoidy otwierają przed medycyną ogromne możliwości, wciąż pozostają modelem, a nie pełnowartościowym narządem. Ich największym ograniczeniem jest brak naczyń krwionośnych, które w naturalnych organach dostarczają tlen i składniki odżywcze do wszystkich komórek. Z tego powodu organoidy nie mogą rosnąć powyżej pewnego rozmiaru i często mają ograniczoną żywotność.
Kolejnym wyzwaniem jest sama technologia hodowli organoidów, która wymaga precyzyjnej kontroli warunków środowiska, doboru czynników wzrostu i długotrwałej obserwacji. Nawet niewielka zmiana parametrów może zaburzyć rozwój struktury lub sprawić, że powstały model nie będzie wiernie odzwierciedlał prawdziwego narządu. Co więcej, każdy organoid różni się nieco od innych, co utrudnia ich standaryzację i porównywanie wyników badań.
Nie bez znaczenia są też kwestie etyczne, zwłaszcza ze względu na organoidy mózgowe. W miarę jak stają się one coraz bardziej złożone, pojawia się pytanie, czy mogą wykazywać oznaki świadomości lub odczuwania bodźców. To rodzi potrzebę wypracowania nowych zasad etyki badań biologicznych, które uwzględnią te niezwykłe modele.
Organoidy więc – choć niezwykle obiecujące – są na razie tylko krokiem w stronę stworzenia funkcjonalnych narządów do przeszczepów. Ich dalszy rozwój wymaga połączenia wiedzy z zakresu: biologii, inżynierii tkankowej i bioetyki. Dopiero wtedy miniaturowe narządy mogą przekształcić się w prawdziwą rewolucję kliniczną.
Przeczytaj również:
Rozrusznik (stymulator) serca – działanie, rodzaje, wskazania do zabiegu wszczepienia
Przyszłość badań nad organoidami
Badania nad organoidami rozwijają się w zawrotnym tempie, a ich potencjał wciąż trudno w pełni oszacować. Naukowcy przewidują, że w najbliższych latach technologia ta stanie się jednym z filarów nowoczesnej medycyny, łącząc osiągnięcia: biologii komórkowej, inżynierii tkankowej i sztucznej inteligencji.
Jednym z głównych kierunków rozwoju jest udoskonalanie hodowli organoidów, tak aby były bardziej złożone i stabilne. Prace trwają nad tworzeniem „organoidów unaczynionych”, czyli struktur wyposażonych w mikroskopijną sieć żył i tętnic, które pozwoliłyby im rosnąć i funkcjonować dłużej.
Coraz większe znaczenie zyskuje też łączenie różnych typów organoidów, np. mózgu i siatkówki czy jelita i wątroby, co ma umożliwić badanie interakcji między narządami w warunkach laboratoryjnych.
W przyszłości organoidy mogą całkowicie zmienić sposób diagnozowania i leczenia chorób.
Dzięki nim badacze będą mogli testować leki na modelach utworzonych z komórek konkretnego pacjenta, przewidując, jak jego organizm zareaguje na terapię – zanim zostanie ona używana w praktyce. To ogromny krok w stronę medycyny precyzyjnej, w której leczenie jest indywidualnie dopasowane do każdego chorego.
