- مقاله ای جامع برای تعمیق درک شما از ارگانوئیدها.
مقدمه ای بر ارگانوئیدها
ارگانوئیدها ساختارهای سه بعدی با عملکردهای فیزیولوژیکی هستند که حالت طبیعی (یا بیمار) اندام ها یا بافت های داخلی را تقلید می کنند که از طریق کشت سه بعدی در خارج از بدن به دست می آید. به عبارت ساده تر، ارگانوئیدها کشت های سلولی سه بعدی هستند که سلول های بنیادی در یک ژل ماتریکس کشت می شوند. تحت تأثیر مهارکننده‌ها/فعال‌کننده‌های شیمیایی، سیتوکین‌ها و افزودنی‌های کشت، ارگانوئیدها به ساختارهای بافتی مشابه اندام‌های مربوطه تبدیل می‌شوند.
ویژگی های ارگانوئیدها
ارگانوئیدها دارای قابلیت های خود تجدیدی هستند و ساختار فیزیولوژیکی و عملکرد بافت منبع را حفظ می کنند. آنها اغلب به عنوان "ریز اندام در ظرف" نامیده می شوند. با استفاده از توانایی های خود نوسازی، تمایز و خود سازماندهی سلول های بنیادی، ارگانوئیدها را می توان برای استفاده در بانک های زیستی انجماد کرد و می توانند تحت گسترش نامحدود قرار گیرند. ارگانوئیدها بسیار پیچیده هستند و در مقایسه با سلول های دو بعدی، شباهت بیشتری به حالت in vivo دارند.
شکل 1. کشت ارگانوئیدی سلول های آدنوکارسینومای کولون انسانی [1]
کاربردهای ارگانوئیدها
ویژگی متمایز ارگانوئیدها توانایی آنها در شبیه سازی بهتر محیط in vivo است که آنها را برای تجزیه و تحلیل های زیست شناسی مولکولی و سلولی مناسب می کند. با پر کردن شکاف بین سطوح حیوانی و سلولی، ارگانوئیدها راه حلی عالی برای تحقیقات در زمینه هایی مانند مطالعات تومور، غربالگری داروها، پزشکی احیا کننده و موارد دیگر ارائه می دهند. آنها به طور گسترده ای در القای بافت عملکردی، ایجاد مدل بیماری، غربالگری دارو، تست های ضد التهابی، تحقیقات بالینی و جنبه های مختلف تحقیقاتی دیگر استفاده شده اند و پتانسیل زیادی در تحقیقات پایه و کاربردهای ترجمه نشان می دهند.
با ادامه تکامل سیستم‌های کشت ارگانوئید و تکنیک‌های تجربی، ارگانوئیدها برای بافت‌ها و اندام‌های مختلف، از جمله روده (روده کوچک/کولون)، معده، کبد، قلب، ریه‌ها، پروستات، پانکراس، کلیه‌ها، سینه‌ها، ساختارهای مغز مانند، شبکیه چشم، گوش داخلی و غیره استفاده شده‌اند.
ارگانوئیدهای مشتق شده از سلول های بنیادی تومور پتانسیل قابل توجهی در درک مکانیسم های بروز و توسعه تومور، غربالگری حساسیت دارویی، و ترویج پزشکی دقیق و تشخیص شخصی نشان داده اند. چندین مقاله از Cell and Science نشان می دهد که ارگانوئیدها حساسیت و ویژگی بالایی در پیش بینی اثربخشی داروهای ضد سرطان از خود نشان می دهند. اخیراً، ارگانوئیدهای تومور نقش خود را در پیش‌بینی پاسخ بیماران به داروهای سرطان و کمک به تدوین برنامه‌های درمانی شخصی نشان داده‌اند.
تحقیق در مورد مکانیسم های توسعه: قابلیت تمایز ارگانوئیدها آنها را برای مطالعه فرآیندها و مکانیسم های رشد جنینی مناسب می کند. فرآیندهای القایی تنظیم شده توسط مسیرهای سیگنالینگ مانند Wnt و BMP را می توان برای مطالعه رشد اندام هایی مانند مغز، پانکراس و معده استفاده کرد [2][3][4].
ایجاد مدل های آسیب بیماری: ارگانوئیدهای القا شده از بافت ها یا اندام های خاص را می توان برای مطالعه مدل های بیماری های خاص استفاده کرد. تیم‌هایی به رهبری ژائو بینگ و لین شین‌هوا از مدل‌های عفونت ارگانوئید انسانی برای مطالعه مکانیسم‌های مولکولی عفونت SARS-CoV-2 و آسیب کبدی استفاده کردند و ابزارهای مهمی برای تحقیق در مورد مکانیسم‌های بیماری‌زای ویروس و متعاقب آن تولید دارو فراهم کردند [5]. گروه تحقیقاتی به رهبری دنگ هونگ‌کوی در دانشکده علوم زیستی دانشگاه پکن از مولکول‌های کوچک و سیتوکین‌ها برای تحریک ساخت یک ارگانوئید روده‌ای جدید با ویژگی‌های بازسازی آسیب - Hyper Organoid استفاده کردند.این ارگانوئید را می توان برای مدت طولانی عبور داد و تقویت کرد، ژنوم را حفظ کرد و باعث ترمیم آسیب بافت روده بزرگ شد، علائم پاتولوژیک را در مدل حیوانی کولیت حاد کاهش داد و موارد دیگر [6].
پزشکی احیا کننده: ارگانوئیدهای مشتق شده از سلول های بنیادی می توانند بافت های آسیب دیده یا بیمار را برای بازگرداندن عملکرد طبیعی بافت ترمیم یا جایگزین کنند. آنها کاربردهای گسترده ای در سلول درمانی دارند، از جمله برای سایر بیماری های عصبی، دیابت، بیماری های قلبی عروقی، اختلالات شبکیه، آسیب های نخاعی و غیره. به عنوان یک درمان جدید در زمینه پزشکی بازساختی - DA01، با استفاده از مولکول های کوچک مانند SB-431542، LDN193189، CHIR-99021، Y-27632، و پروتئین خارپشت صوتی (Shh)، سلول های بنیادی پرتوان را برای تمایز به نورون های دوپامینر تحریک می کند. این نورون‌ها سپس به نواحی آسیب‌دیده مغز بیماران مبتلا به پارکینسون در مراحل آخر پیوند می‌شوند و جهت و رویکرد جدیدی برای درمان این بیماری ارائه می‌کنند [7].
تست سمیت و اثربخشی دارو: ارگانوئیدها را می توان برای تأیید سمیت دارویی داروهای جدید در اندام ها یا بافت های خاص مورد استفاده قرار داد و اطلاعاتی را برای توسعه داروی جدید ارائه می دهد. استفاده از ارگانوئیدهای کلیه Hyman برای تأیید سمیت کلیوی سیس پلاتین یک مثال است [8].
غربالگری دارو: ارگانوئیدهای مشتق شده از سلول های بنیادی را می توان برای آزمایش در شرایط آزمایشگاهی واکنش های دارویی استفاده کرد و پشتیبانی نظری را برای غربالگری دارو فراهم می کند. ارگانوئیدهای کولون را می توان برای مطالعه برنامه های دارویی برای بیماران مبتلا به جهش CFTR، و ارگانوئیدهای تومور را می توان برای ارزیابی موقعیت های دارویی فردی برای بیماران استفاده کرد [9].
تاریخچه تکاملی ارگانوئیدها
منابع ارگانوئیدها
ارگانوئیدهای طبیعی در درجه اول از سلول های بنیادی، از جمله سلول های بنیادی پرتوان (PSCs) و سلول های بنیادی بالغ (ASCs) منشاء می گیرند. سلول های بنیادی پرتوان شامل سلول های بنیادی جنینی (ESCs) و سلول های بنیادی پرتوان القایی (iPSCs) می شود. در مقایسه با سلول‌های بنیادی پرتوان، سلول‌های بنیادی بالغ این مزیت را دارند که مدل‌سازی ساده‌تر و سریع‌تر هستند، اما این مزیت ساخت ساختارهای ارگانوئیدی نسبتا ساده‌تر است. ساختارهای ارگانوئیدی ساخته شده از سلول های بنیادی پرتوان پیچیده تر هستند.
| ارگانوئیدها | مولکول های فعال زیستی | سیتوکین ها |
| روده کوچک | Y-27632،SB-202190،A 83-01،گاسترین،نیکوتین آمید | EGF،نوگین،R-Spondin 1،Wnt-3a |
| معده | Y-27632،SB-202190،A 83-01،گاسترین من،نیکوتین آمید | FGF-10،EGF،نوگین،R-Spondin 1،Wnt-3a |
| کبد | Y-27632،A 83-01،DAPT،فورسکولین،گاسترین،نیکوتین آمید،پروستاگلاندین E2 | BMP-4،EGF،FGF-basic ،FGF-10،HGF،نوگین،Wnt-3a |
| کلیه | CHIR-99021،رتینوئیک اسید | BMP-2،BMP-4،BMP-7،FGF-basic،FGF-9 |
| ریه | CHIR-99021،SB-431542 | اکتیوین A،FGF-basic،FGF-4،نوگین |
| پانکراس | گاسترین I،A 83-01،نیکوتین آمید | FGF-10،EGF،نوگین،R-Spondin 1،Wnt-3a |
|
| Y-27632،SB-202190،A 83-01،نیکوتین آمید،پروستاگلاندین E2،تستوسترون | EGF،اکتیوین A،FGF-basic،FGF-10،نوگین،R-Spondin 1،Wnt-10b |
| سینه | Y-27632 | اینجا گولین β-1،R-Spondin 1،R-Spondin 2،نوگین،EGF، FGF-basic،FGF-10،Wnt-3a،پرولاکتین |
| شبکیه چشم | CHIR-99021،Y-27632 | SHH،Wnt-3a |
| گوش داخلی | SB-431542،A 83-01 | BMP-4، FGF-basic |
| مغز | Y-27632،MK-2206،GDC-0068،دورسومورفین | FGF-basicنوگین،DKK-1، EGF،BDNF،GDNF |
مولکول های کوچک رایج در کشت ارگانوئیدی (خلاصه): فوق العاده عملی، نشانه گذاری را فراموش نکنید!
❶ Y-27632 (Cat#53006ES، Cat#52604ES): یک بازدارنده قوی راک است که به طور رقابتی p160ROCK (Ki=140nM) و ROCK-II (IC50=800nM) را با رقابت ATP مهار می کند.همچنین PRK2 (IC50=600nM) را مهار می کند. به طور معمول در طول اولین بذر در کشت پلیت اضافه می شود. تغییرات محیطی بعدی ممکن است نیازی به افزودن نداشته باشد. درمان سلول های بنیادی جنینی انسان با Y-27632 (10 میکرومولار) به مدت 1 ساعت می تواند آپوپتوز را مهار کند، کارایی کلون را افزایش دهد و مسیرهای عبور سلولی را گسترش دهد.
غلظت کاری توصیه شده: 10 میکرومولار
❷ SB-202190 (Cat#53005ES): یک مهارکننده موثر p38 MAPK کیناز که p38α/β را هدف قرار می دهد. SB202190 می‌تواند تمایز سلول‌های بنیادی جنینی انسان را به سلول‌های ماهیچه‌ای قلبی القا کند، خود تجدید سلول‌های بنیادی عصبی را ارتقا دهد، و برای کشت ارگانوئیدهای گوارشی و غدد پستانی قابل استفاده است.
غلظت انحلال توصیه شده: 10 میلی گرم را در 3.018 میلی لیتر DMSO حل کنید تا محلول 10 میلی مولار به دست آید. ذخیره در -20 درجه سانتیگراد.
غلظت کاری توصیه شده: 10 میکرومولار
❸ CHIR-99021 (Cat#53003ES): یک مشتق آمینوپیریمیدین که به عنوان مهارکننده GSK-3 (GSK3α/β) عمل می کند. تمایز سلول های بنیادی جنینی انسان را به داخل اندودرم القا می کند و در کشت ارگانوئیدهای کلیه و شبکیه استفاده می شود. CHIR-99021، هنگامی که در ترکیب با سایر معرف ها استفاده می شود، برنامه ریزی مجدد سلول های سوماتیک را به سلول های بنیادی تحریک می کند.
غلظت انحلال توصیه شده: 5 میلی گرم را در 3.58 میلی لیتر DMSO حل کنید تا محلول 3 میلی مولار به دست آید. ذخیره در -20 درجه سانتیگراد.
غلظت کاری توصیه شده: 3 میکرومولار
❹ A 83-01 (Cat#53002ES): یک مهارکننده مسیر Activin/NODAL/TGF-β، که فعالیت کیناز ALK5/4/7 را مهار می کند. به طور کلی در کشت ارگانوئیدهای کبد، پروستات و غدد پستانی استفاده می شود. معمولاً برای مهار تمایز سلول های بنیادی پرتوان القایی (iPSCs) و حفظ خود نوسازی سلول ها در شرایط آزمایشگاهی استفاده می شود.
غلظت انحلال توصیه شده: 5 میلی گرم را در 5.93 میلی لیتر DMSO حل کنید تا محلول 2 میلی مولار به دست آید. ذخیره در -20 درجه سانتیگراد. (توجه: این محصول در محلول ناپایدار است و برای استفاده فوری پس از آماده سازی توصیه می شود.)
غلظت کاری توصیه شده: 2 میکرومولار
❺ گاسترین I (Cat#53007ES): گاسترین یک هورمون پپتیدی درون زا در دستگاه گوارش است که سلول های دیواره معده را برای ترشح اسید معده تحریک می کند. برای مطالعات بر روی ارگانوئیدهای دستگاه گوارش بسیار مهم است. هنگام کشت ارگانوئیدهای روده ای و کبدی، افزودن گاسترین به طولانی شدن زمان بقای ارگانوئیدها کمک می کند.
غلظت انحلال توصیه شده: 1 میلی گرم را در 2.38 میلی لیتر از محلول آمونیاک 1% حل کنید تا محلول 0.2 میلی مولار به دست آید. ذخیره در -20 درجه سانتیگراد.
غلظت کاری توصیه شده: 10 نانومتر
❻ نیکوتین آمید (Cat#51402ES): نیکوتین آمید، یک ویتامین B3، در واکنش های ردوکس آنزیمی مختلف شرکت می کند و در کشت ارگانوئیدهای گوارشی، کبدی و پستانی استفاده می شود. نیکوتین آمید، همراه با سیتوکین ها و سایر معرف های بیوشیمیایی، خواص ضد التهابی را نشان می دهد، تمایز سلول های بنیادی مزانشیمی را به سلول های تولید کننده انسولین تقویت می کند، فعالیت سیرتوئین ها را مهار می کند و برای تقویت تشکیل ارگانوئیدها و افزایش طول عمر ارگانوئید استفاده می شود.
غلظت انحلال توصیه شده: 100 میلی گرم را در 8.19 میلی لیتر H2O (یا DMSO) حل کنید تا محلول 100 میلی مولار به دست آید. ذخیره در -20 درجه سانتیگراد.
غلظت کاری توصیه شده: 10 میلی متر
❼ فورسکولین (Cat#51001ES): فورسکولین می تواند آدنیلات سیکلاز را فعال کند که معمولاً برای بالا بردن سطح cAMP داخل سلولی استفاده می شود. فورسکولین باعث تمایز انواع سلولی می شود، PXR و FXR را فعال می کند و دارای اثرات ضد پلاکتی و ضد فشار خون است. هنگام کشت ارگانوئیدهای کبدی، افزودن این ماده ضروری است.
غلظت کاری توصیه شده: 1-10 میکرومولار
❽ پروستاگلاندین E2 (Cat#60810ES): پروستاگلاندین E2 (PGE2) بسیاری از سیستم های فیزیولوژیکی را تنظیم می کند و تکثیر و تمایز سلولی را واسطه می کند.هنگام کشت ارگانوئیدهای کبدی و پروستات مورد نیاز است و با آرامش عضلات صاف، التهاب، تولید مثل، تنظیم چرخه خواب و یکپارچگی مخاط معده همراه است.
غلظت انحلال توصیه شده: 1 میلی گرم را در 0.28 میلی لیتر DMSO حل کنید تا محلول 10 میلی مولار به دست آید. ذخیره در -20 درجه سانتیگراد.
غلظت کاری توصیه شده: 500 نانومتر
❾ N-acetyl-L-Cysteine (Cat#50303ES): N-acetyl-L-cysteine (NAC) پیش ساز آنتی اکسیدان گلوتاتیون است که دارای اثرات آنتی اکسیدانی و مهاری ROS است. این آپوپتوز سلول های عصبی را مهار می کند و در فرآیند کشت بیشتر ارگانوئیدها مورد نیاز است.
غلظت انحلال توصیه شده: 2 گرم را در 24.51 میلی لیتر H2O (یا DMSO) حل کنید تا محلول 500 میلی مولار به دست آید. ذخیره در -20 درجه سانتیگراد.
غلظت کاری توصیه شده: 1 میلی متر
اطلاعات مربوط به محصول
| پمحصول نآمی | گربه | اندازه |
| انسان Wnt-3a | 92276ES10 | 10μg |
| 92278ES20 | 20μg | |
| 92701ES10 | 10μg | |
| انسان نوگین | 92528ES10 | 10μg |
| 91330ES10 | 10μg | |
| 91306ES10 | 10μg | |
| 91502ES10 | 10μg | |
| 91701ES08 | 10μg | |
| 92602ES60 | 100μg | |
| 91204ES10 | 10μg | |
| 90601ES10 | 10μg | |
| 91113ES10 | 10μg | |
| 92279ES10 | 10μg | |
| 92055ES10 | 10μg | |
| 92053ES10 | 10μg | |
| 92129ES08 | 5μg | |
| 91304ES10 | 10μg | |
| 91702ES10 | 10μg | |
| 92252ES60 | 100μg | |
| 90103ES10 | 10μg | |
| 90104ES10 | 10μg | |
| 90197ES10 | 10μg | |
| 90144ES08 | 10μg | |
| 90196ES10 | 10μg | |
| 90194ES10 | 10μg | |
| 90111ES10 | 10μg | |
| 90120ES10 | 10μg | |
| 90198ES10 | 10μg | |
| 91605ES10 | 10μg | |
| 92251ES10 | 10μg | |
| 92566ES08 | 5μg | |
| 92102ES10 | 10μg | |
| 91103ES10 | 10μg | |
| 92711ES10 | 10μg | |
| 92122ES60 | 100μg | |
| 92201ES60 | 100μg | |
| 92275ES20 | 20μg | |
| انسان BMP-2 | 92051ES10 | 10μg |
مراجع：
[1] Sato T، Stange DE، و همکاران.گسترش طولانی مدت ارگانوئیدهای اپیتلیال از کولون انسان، آدنوم، آدنوکارسینوم و اپیتلیوم بارت. گوارش. 2011 نوامبر؛ 141 (5): 1762-72. doi: 10.1053/j.gastro.2011.07.050. Epub 2011 Sep 2. PMID: 21889923.
[2] لنکستر MA، Renner M، و همکاران. ارگانوئیدهای مغزی رشد مغز انسان و میکروسفالی را مدل می کنند. طبیعت. 2013.501(7467):373-379. http://dx.doi.org/10.1038/nature12517.
[3] Greggio C و همکاران. سوله های سه بعدی مصنوعی توسعه پانکراس را در شرایط آزمایشگاهی تخریب می کنند. توسعه. 2013.140 (21): 4452-4462. http://dx.doi.org/10.1242/dev.096628.
[4] مک کراکن KW، و همکاران. مدل‌سازی رشد انسان و بیماری در ارگانوئیدهای معده مشتق از سلول‌های بنیادی پرتوان طبیعت. 2014.516(7531):400-404. http://dx.doi.org/10.1038/nature13863.
[5] Zhao B، Ni C، و همکاران. خلاصه کردن عفونت SARS-CoV-2 و آسیب کلانژیوسیت با ارگانوئیدهای مجرای کبد انسان. سلول پروتئین. اکتبر 2020؛ 11 (10): 771-775. doi: 10.1007/s13238-020-00718-6. PMID: 32303993; PMCID: PMC7164704.
[6] Qu M، Xiong L، و همکاران. ایجاد کشت های ارگانوئیدی روده ای که بازسازی اپیتلیال مرتبط با آسیب را مدل سازی می کند. Cell Res. 2021 مارس؛ 31 (3): 259-271. doi: 10.1038/s41422-020-00453-x. Epub 2021 Jan 8. PMID: 33420425; PMCID: PMC8027647.
[7] BlueRock Therapeutics اولین بیمار دریافت شده با DA01 را در مطالعه فاز 1 در بیماران مبتلا به بیماری پارکینسون پیشرفته اعلام کرد. بیانیه مطبوعاتی BlueRock Therapeutics: 8 ژوئن 2021.
[8] تاکاساتو M، Er PX، و همکاران. ارگانوئیدهای کلیه از سلول های iPS انسانی حاوی دودمان های متعدد هستند و نفروژنز انسان را مدل می کنند. طبیعت. 2015.526(7574):564-568. http://dx.doi.org/10.1038/nature15695.
[9] اسپنس JR، Mayhew CN، و همکاران. تمایز هدایت شده سلول های بنیادی پرتوان انسانی به بافت روده در شرایط آزمایشگاهی. طبیعت. 2011.470(7332):105-109. http://dx.doi.org/10.1038/nature09691.