دليل شامل للزراعة العضوية

- مقالة شاملة لتعميق فهمك للأعضاء.

مقدمة عن العضويات

العضويات هي هياكل ثلاثية الأبعاد ذات وظائف فسيولوجية تحاكي الحالة الطبيعية (أو المريضة) للأعضاء أو الأنسجة الداخلية، ويتم تحقيق ذلك من خلال الزراعة ثلاثية الأبعاد خارج الجسم. وبعبارات أبسط، العضويات هي مزارع خلايا ثلاثية الأبعاد حيث يتم زراعة الخلايا الجذعية في هلام مصفوفة. وتحت تأثير المثبطات/المنشطات الكيميائية والسيتوكينات والمواد المضافة للزراعة، تتطور العضويات إلى هياكل نسيجية مماثلة للأعضاء المقابلة.

خصائص العضويات

تتمتع العضويات بقدرات التجديد الذاتي، مما يحافظ على البنية الفسيولوجية ووظيفة الأنسجة المصدر. وغالبًا ما يشار إليها باسم "الأعضاء الدقيقة في طبق". وباستخدام قدرات التجديد الذاتي والتمايز والتنظيم الذاتي للخلايا الجذعية، يمكن حفظ العضويات بالتبريد لاستخدامها في البنوك الحيوية ويمكن أن تخضع لتوسع غير محدود. العضويات معقدة للغاية، وبالمقارنة بالخلايا ثنائية الأبعاد، فهي تشبه إلى حد كبير الحالة الحيوية.

الشكل 1. زراعة الأعضاء لخلايا سرطان الغدة القولونية البشرية [1]

تطبيقات العضويات

السمة المميزة للعضيات هي قدرتها على محاكاة البيئة الحية بشكل أفضل، مما يجعلها مناسبة لتحليلات البيولوجيا الجزيئية والخلوية. من خلال سد الفجوة بين المستويات الحيوانية والخلوية، تقدم العضيات حلاً متفوقًا للبحث في مجالات مثل دراسات الأورام، وفحص الأدوية، والطب التجديدي، والمزيد. تم تطبيقها على نطاق واسع في تحريض الأنسجة الوظيفية، وإنشاء نموذج المرض، وفحص الأدوية، والاختبارات المضادة للالتهابات، والبحوث السريرية، والعديد من جوانب البحث الأخرى، مما يُظهر إمكانات كبيرة في كل من البحوث الأساسية والتطبيقات الترجمية.

مع استمرار تطور أنظمة زراعة الأعضاء والتقنيات التجريبية، تم استخدام الأعضاء للعديد من الأنسجة والأعضاء، بما في ذلك الأمعاء (الأمعاء الدقيقة/القولون)، والمعدة، والكبد، والقلب، والرئتين، والبروستات، والبنكرياس، والكلى، والثديين، والهياكل الشبيهة بالدماغ، وشبكية العين، والأذن الداخلية، والمزيد.

أظهرت الأعضاء المشتقة من الخلايا الجذعية للأورام إمكانات كبيرة في فهم آليات حدوث الورم وتطوره، وفحص حساسية الأدوية، وتعزيز الطب الدقيق والتشخيص الشخصي. تشير العديد من المقالات من Cell and Science إلى أن الأعضاء تتمتع بحساسية عالية وخصوصية في التنبؤ بفعالية الأدوية المضادة للسرطان. في الآونة الأخيرة، أثبتت الأعضاء الورمية دورها في التنبؤ باستجابات المرضى لأدوية السرطان والمساعدة في صياغة خطط العلاج الشخصية.

البحث في آليات التطور: تجعل قدرات التمايز لدى العضويات مناسبة لدراسة عمليات وآليات التطور الجنيني. يمكن استخدام عمليات التحريض التي تنظمها مسارات الإشارة مثل Wnt وBMP لدراسة تطور الأعضاء مثل الدماغ والبنكرياس والمعدة [2][3][4].

إنشاء نماذج إصابة المرض: يمكن استخدام الأعضاء المحفزة من أنسجة أو أعضاء محددة لدراسة نماذج أمراض محددة. استخدمت الفرق بقيادة تشاو بينج ولين شينهوا نماذج عدوى الأعضاء البشرية لدراسة الآليات الجزيئية لعدوى فيروس سارس-كوف-2 وتلف الكبد، مما يوفر أدوات حاسمة لبحث الآليات المسببة للأمراض للفيروس وتطوير الأدوية اللاحقة [5]. استخدمت مجموعة البحث بقيادة دينج هونغكوي في كلية العلوم الحياتية بجامعة بكين جزيئات صغيرة وسيتوكينات لتحفيز بناء عضو معوي جديد يتميز بخصائص تجديد الضرر - Hyper Organoid.يمكن نقل هذا العضو وتضخيمه لفترة طويلة، مع الحفاظ على الجينوم وتعزيز إصلاح تلف أنسجة القولون، وتخفيف الأعراض المرضية في نموذج حيواني لالتهاب القولون الحاد، وأكثر من ذلك [6].

الطب التجديدي: يمكن للأعضاء المشتقة من الخلايا الجذعية إصلاح أو استبدال الأنسجة التالفة أو المريضة لاستعادة وظيفة الأنسجة الطبيعية. ولها تطبيقات واسعة النطاق في العلاج الخلوي، بما في ذلك الأمراض العصبية التنكسية الأخرى، ومرض السكري، وأمراض القلب والأوعية الدموية، واضطرابات الشبكية، وإصابات الحبل الشوكي، والمزيد. كعلاج جديد في مجال الطب التجديدي - DA01، باستخدام جزيئات صغيرة مثل SB-431542، LDN193189، CHIR-99021، Y-27632، وبروتين Sonic Hedgehog (Shh)، يحفز الخلايا الجذعية متعددة القدرات على التمايز إلى الخلايا العصبية الدوبامينية. ثم يتم زرع هذه الخلايا العصبية في المناطق المصابة من أدمغة مرضى مرض باركنسون في المرحلة المتأخرة، مما يوفر اتجاهًا ونهجًا جديدًا لعلاج المرض [7].

اختبار سمية الدواء وفعاليته: يمكن استخدام الأعضاء للتحقق من السمية الدوائية للأدوية الجديدة في أعضاء أو أنسجة معينة، مما يوفر دعمًا للبيانات لتطوير الأدوية الجديدة. يعد استخدام الأعضاء الكلوية لهيمان للتحقق من سمية الكلى لسيسبلاتين مثالاً على ذلك [8].

فحص الأدوية: يمكن استخدام الأعضاء المشتقة من الخلايا الجذعية لاختبار تفاعلات الأدوية في المختبر، مما يوفر دعمًا نظريًا لفحص الأدوية. يمكن استخدام الأعضاء القولونية لدراسة خطط الأدوية للمرضى الذين يعانون من طفرات CFTR، ويمكن استخدام الأعضاء الورمية لتقييم حالات الأدوية الفردية للمرضى [9].

التاريخ التطوري للعضيات

مصادر العضويات

تنشأ العضويات الطبيعية في المقام الأول من الخلايا الجذعية، بما في ذلك الخلايا الجذعية متعددة القدرات (PSCs) والخلايا الجذعية البالغة (ASCs). تشمل الخلايا الجذعية متعددة القدرات الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) والخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة (iPSCs). بالمقارنة مع الخلايا الجذعية متعددة القدرات، تتمتع الخلايا الجذعية البالغة بميزة كونها أبسط وأسرع في النمذجة، ولكن عيبها هو بناء هياكل عضوية أبسط نسبيًا. الهياكل العضوية المبنية من الخلايا الجذعية متعددة القدرات أكثر تعقيدًا.

المنتجات المستخدمة في زراعة العضويات

الجزيئات الصغيرة المستخدمة بشكل شائع في ثقافة العضويات (ملخص): عملي للغاية، لا تنسى وضع إشارة مرجعية!

❶ Y-27632 (Cat#53006ES, Cat#52604ES): مثبط قوي لـ Rock، يثبط بشكل تنافسي p160ROCK (Ki=140 nM) و ROCK-II (IC50=800 nM) من خلال منافسة ATP.كما أنه يثبط PRK2 (IC50=600 nM). يُضاف عادةً أثناء البذر الأول في ثقافة اللوحة؛ وقد لا تتطلب التغييرات اللاحقة في الوسط الإضافة. يمكن أن يؤدي علاج الخلايا الجذعية الجنينية البشرية باستخدام Y-27632 (10 ميكرومول) لمدة ساعة واحدة إلى تثبيط موت الخلايا المبرمج، وزيادة كفاءة الاستنساخ، وإطالة مرور الخلايا.

تركيز العمل الموصى به: 10 ميكرومتر

❷ SB-202190 (Cat#53005ES): مثبط فعال لإنزيم p38 MAPK، يستهدف p38α/β. يمكن لـ SB202190 تحفيز تمايز الخلايا الجذعية الجنينية البشرية إلى خلايا عضلة القلب، وتعزيز التجديد الذاتي للخلايا الجذعية العصبية، ويمكن تطبيقه على زراعة الأعضاء المعوية والغدد الثديية.

تركيز الذوبان الموصى به: قم بإذابة 10 ملغ في 3.018 مل من DMSO للحصول على محلول 10 مليمولار؛ قم بالتخزين في درجة حرارة -20 درجة مئوية.

تركيز العمل الموصى به: 10 ميكرومتر

❸ CHIR-99021 (رقم الصنف 53003ES): مشتق أمينوبيريميدين، يعمل كمثبط لـ GSK-3 (GSK3α/β). وهو يحفز تمايز الخلايا الجذعية الجنينية البشرية في الأديم الباطن ويُستخدم في زراعة الأعضاء الكلوية والشبكية. عند استخدام CHIR-99021 مع مواد كيميائية أخرى، فإنه يحفز إعادة برمجة الخلايا الجسدية إلى خلايا جذعية.

تركيز الذوبان الموصى به: قم بإذابة 5 ملغ في 3.58 مل من DMSO للحصول على محلول 3 مليمولار؛ قم بالتخزين في درجة حرارة -20 درجة مئوية.

تركيز العمل الموصى به: 3 ميكرومولر

❹ A 83-01 (Cat#53002ES): مثبط لمسار Activin/NODAL/TGF-β، يثبط نشاط ALK5/4/7 kinase. يستخدم بشكل عام في زراعة الأعضاء في الكبد والبروستات والغدة الثديية. يستخدم بشكل شائع لتثبيط تمايز الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة (iPSCs) والحفاظ على التجديد الذاتي للخلايا في المختبر.

تركيز الذوبان الموصى به: قم بإذابة 5 ملغ في 5.93 مل من ثنائي ميثيل سلفوكسيد للحصول على محلول بتركيز 2 مليمول؛ قم بتخزينه عند درجة حرارة -20 درجة مئوية. (ملاحظة: هذا المنتج غير مستقر في المحلول ويوصى باستخدامه فورًا بعد التحضير.)

تركيز العمل الموصى به: 2 ميكرومولر

❺ جاسترين 1 (رقم الصنف 53007ES): الجاسترين هو هرمون ببتيدي داخلي في الجهاز الهضمي يحفز خلايا جدار المعدة على إفراز حمض المعدة. وهو أمر بالغ الأهمية للدراسات التي تجرى على الأعضاء المعوية. عند زراعة الأعضاء المعوية والكبدية، يساعد إضافة الجاسترين في إطالة عمر الأعضاء.

تركيز الذوبان الموصى به: قم بإذابة 1 ملجم في 2.38 مل من محلول الأمونيا بنسبة 1% للحصول على محلول بتركيز 0.2 مليمول؛ قم بالتخزين في درجة حرارة -20 درجة مئوية.

تركيز العمل الموصى به: 10 نانومتر

❻ نيكوتيناميد (رقم القطعة 51402ES): يشارك النيكوتيناميد، وهو فيتامين ب3، في العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال الأنزيمية ويُستخدم في زراعة الأعضاء المعوية والكبدية والثديية. يُظهر النيكوتيناميد، بالاشتراك مع السيتوكينات والمواد الكيميائية الحيوية الأخرى، خصائص مضادة للالتهابات، ويعزز تمايز الخلايا الجذعية المتوسطة إلى خلايا منتجة للأنسولين، ويمنع نشاط السيرتوينات، ويُستخدم لتعزيز تكوين الأعضاء وإطالة عمرها.

تركيز الذوبان الموصى به: قم بإذابة 100 ملغ في 8.19 مل من H2O (أو DMSO) للحصول على محلول 100 مليمولار؛ قم بالتخزين في درجة حرارة -20 درجة مئوية.

تركيز العمل الموصى به: 10 مليمول

❼ فورسكولين (رقم القطعة 51001ES): يمكن للفورسكولين تنشيط أدينيلات سيكليز، والتي تستخدم عادة لرفع مستويات cAMP داخل الخلايا. يحفز الفورسكولين تمايز أنواع مختلفة من الخلايا، وينشط PXR وFXR، وله تأثيرات مضادة لتجمع الصفائح الدموية وخافضة لضغط الدم. عند زراعة الأعضاء الكبدية، من الضروري إضافة هذه المادة.

تركيز العمل الموصى به: 1-10 ميكرومتر

❽ البروستاجلاندين E2 (رقم القطعة 60810ES): ينظم البروستاجلاندين E2 (PGE2) العديد من الأنظمة الفسيولوجية، ويتوسط تكاثر الخلايا وتمايزها.وهو ضروري عند زراعة الأعضاء الكبدية والبروستاتية ويرتبط باسترخاء العضلات الملساء والالتهاب والتكاثر وتنظيم دورة النوم وسلامة الغشاء المخاطي في المعدة.

تركيز الذوبان الموصى به: قم بإذابة 1 ملغ في 0.28 مل من DMSO للحصول على محلول 10 مليمولار؛ قم بالتخزين في درجة حرارة -20 درجة مئوية.

تركيز العمل الموصى به: 500 نانومتر

❾ N-acetyl-L-Cysteine ​​(رقم الصنف 50303ES): N-acetyl-L-cysteine ​​(NAC) هو مركب أولي لمضاد الأكسدة الجلوتاثيون، وله تأثيرات مضادة للأكسدة ومضادات الأكسدة التفاعلية. وهو يثبط موت الخلايا العصبية وهو مطلوب في عملية زراعة معظم الأعضاء.

تركيز الذوبان الموصى به: قم بإذابة 2 جرام في 24.51 مل من الماء (أو ثنائي ميثيل سلفوكسيد) للحصول على محلول بتركيز 500 مللي مولار؛ قم بتخزينه في درجة حرارة -20 درجة مئوية.

تركيز العمل الموصى به: 1 مليمول

معلومات المنتج ذات الصلة

مراجع:

[1] ساتو ت، ستانج دي إي، وآخرون.التوسع طويل الأمد للعضيات الظهارية من القولون البشري، والأورام الغدية، وسرطان الغدد، وظهارة باريت. Gastroenterology. 2011 نوفمبر؛ 141(5):1762-72. doi: 10.1053/j.gastro.2011.07.050. Epub 2 سبتمبر 2011. PMID: 21889923.

[2] لانكستر إم إيه، رينر إم، وآخرون. الأعضاء الدماغية تحاكي نمو الدماغ البشري وصغر الرأس. نيتشر. 2013.501(7467):373-379. http://dx.doi.org/10.1038/nature12517.

[3] Greggio C، وآخرون. المنافذ الاصطناعية ثلاثية الأبعاد تفكك نمو البنكرياس في المختبر. التنمية. 2013.140(21):4452-4462. http://dx.doi.org/10.1242/dev.096628.

[4] McCracken KW، وآخرون. نمذجة التطور البشري والمرض في الأعضاء المعدية المشتقة من الخلايا الجذعية متعددة القدرات. نيتشر. 2014.516(7531):400-404. http://dx.doi.org/10.1038/nature13863.

[5] Zhao B, Ni C, et al. Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids. Protein Cell. 2020 أكتوبر؛ 11(10):771-775. doi: 10.1007/s13238-020-00718-6. PMID: 32303993؛ PMCID: PMC7164704.

[6] Qu M, Xiong L, et al. Establishment of intestine organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration. Cell Res. 2021 Mar;31(3):259-271. doi: 10.1038/s41422-020-00453-x. Epub 2021 Jan 8. PMID: 33420425; PMCID: PMC8027647.

[7] أعلنت شركة BlueRock Therapeutics عن أول مريض يتلقى جرعة من DA01 في دراسة المرحلة الأولى على مرضى يعانون من مرض باركنسون المتقدم. بيان صحفي لشركة BlueRock Therapeutics: 8 يونيو 2021.

[8] Takasato M، Er PX، وآخرون. تحتوي الأعضاء الكلوية من الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات البشرية على سلالات متعددة ونمذجة تكوين الكلى لدى البشر. Nature. 2015.526(7574):564-568. http://dx.doi.org/10.1038/nature15695.

[9] Spence JR, Mayhew CN, et al. Directed differentiation of human pluripotent stem cells into intestine tissue in vitro. الطبيعة. 2011.470(7332):105-109. http://dx.doi.org/10.1038/nature09691.