فهرست مطالب
ارگانوئیدها نسخه کوچک شده و ساده شده از یک اندام هستند که در آزمایشگاه و داخل یک محیط سه بعدی کشت می‌شوند تکنیک رشد ارگانوئیدها از اوایل دهه 2010 به سرعت پیشرفت کرد و توسط مجله The Scientist به عنوان یکی از بزرگترین نوآوری‌های علمی در سال 2013 نامگذاری شد.
ارگانوئید چیست؟
لنکستر و نابلیچ ارگانوئید را مجموعه‌ای از انواع سلول‌های تخصصی یک اندام می‌دانند که از سلول‌های بنیادی ایجاد می‌شوند. این کار از طریق مرتب‌سازی سلولی و تعهد به نقش‌های مختلف در درون بافت کشت شده میسر است. ارگانوئیدها باید بتوانند برخی از عملکردهای اندام شبیه‌سازی شده را نشان دهند؛ ویژگی‌هایی همچون انقباض، فعالیت عصبی، ترشح غدد درون ریز، فیلتراسیون، دفع و…
تاریخچه کشت ارگانوئید
دانشمندان از ارگانوئیدها برای مطالعه بیماری‌ها و درمان‌ها در آزمایشگاه استفاده می‌کنند. با ظهور رشته زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی، پتانسیل سلول‌های بنیادی برای تشکیل اندام‌های تخصصی در شرایط آزمایشگاهی بیشتر بسیاری از محققان قرار گرفت. با تغییر استراتژی کشت و تمایز سلول‌های بنیادی از محیط‌های دوبعدی به محیط‌های سه‌بعدی، ایده تولید ارگانوئیدها بیش از پیش به واقعیت نزدیک شد.
اولین تلاش موفق برای ساخت ارگانوئیدها در سال 2006 با کشت عروق کبدی رخ داد. این عروق بیش از 50 روز در شرایط آزمایشگاهی زنده ماندند. در سال 2008، یوشیکی ساسای و تیمش در موسسه RIKEN نشان دادند که سلول‌های بنیادی را می‌توان به گلوله‌هایی از سلول‌های عصبی تبدیل کرد که در خودشان را در لایه‌های متمایز سازماندهی می‌کنند.
در سال 2013، مادلین لنکستر در مؤسسه بیوتکنولوژی مولکولی آکادمی علوم اتریش، پروتکلی را برای کشت ارگانوئیدهای مغزی مشتق شده از سلول‌های بنیادی تدوین کرد. این ارگانوئیدهای مغزی سازمان سلولی مغز انسان در حال رشد را تقلید می‌کنند.
در سال‌های اخیر تحقیقات بسیار متنوع‌تر و عمیق‌تری در زمینه کشت ارگانوئیدها صورت گرفته است. مثال‌های ذکر شده برای این بودند که شما ایده‌ای کلی از کاربردها و محدودیت‌های ممکن برای این تکنیک را تصور کنید.
سیستم کشت ارگانوئیدی
به طور کلی تشکیل ارگانوئید نیازمند کشت سلول‌های بنیادی یا سلول‌های پیش‌ساز در محیطی سه‌بعدی دارد. محیط سه‌بعدی را می‌توان با استفاده از نوعی هیدروژل ماتریکس خارج سلولی مانند Matrigel یا Cultrex BME ساخت که از لامینین بوده و توسط رده‌ی توموری EngelbrethHolm-Swarm ترشح می‌شود. سپس اجسام ارگانوئیدی می‌توانند از طریق جاسازی سلول‌های بنیادی در محیط سه‌بعدی ساخته شوند. هنگامی که از سلول‌های بنیادی پرتوان برای ایجاد ارگانوئید استفاده می‌شود، سلول‌ها معمولاً و نه همیشه، اجازه تشکیل جسم جنینی را دارند. سپس به منظور ایجاد هویت در ارگانوئید مورد نظر، اجسام جنینی ساخته‌شده با استفاده از فاکتورهای الگوسازی تحت درمان دارویی قرار می‌گیرد. ارگانوئیدها همچنین با استفاده از سلول‌های بنیادی بالغ و همچنین کشت در محیط‌های سه‌بعدی ساخته می‌شوند.
ارگانوئیدها در بخش های مختلف بدن
ارگانوئیدهای دستگاه گوارشی
دستگاه گوارش پستانداران به طور کلی از آندودرم منشأ می‌گیرند. در طول رشد و تکوین جنین لوله‌ای در بدن تشکیل می‌شود که می‌توان آن را به سه ناحیه مجزا تقسیم کرد. بخش اول باعث ایجاد حفره دهان و مری، بخش دوم منشا تشکیل معده است و ابتدای روده کوچک است و بخش آخر باقی روده و کولون‌ها را به وجود می‌آورد.
ارگانوئیدهای روده‌ای ساختار کریپت-پرز را با چنان دقت بالایی شبیه‌سازی می‌کنند که می‌توان آنها را به طور موفقیت آمیزی به روده موش پیوند زد (در صورتی که سلول‌های بنیادی اولیه از روده موش نمونه‌برداری شود). از این رو به عنوان یک مدل با ارزش برای تحقیق بسیار مورد توجه قرار می‌گیرند. همچنین در زمینه زیست‌شناسی عفونت، سیستم‌های مدل مختلف مبتنی بر ارگانوئید روده مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
ارگانوئیدهای روده‌ای از یک لایه منفرد سلول‌های اپیتلیال روده تشکیل شده‌اند که یک لومن مرکزی را احاطه می‌کنند. ارگانوئیدهای برای مطالعه فرایند انتقال مواد مغذی روده‌ای، جذب دارو، ترشح هورمون اینکرتین و عفونت توسط پاتوژن‌های مختلف بسیار کارآمد هستند.
ارگانوئیدهای معده نیز با استفاده از سلول‌های بنیادی بالغ معده ساخته می‌شوند. ارگانوئیدهای معده به عنوان مدلی برای مطالعه سرطان معده که از سرطان‌های بسیار شایع است، استفاده می‌شوند.
تولید ارگانوئیدهای مغزی مطلبی است که شاید برای شما جالب باشد.
ارگانوئید مغزی
ارگانوئید مغزی، اندام‌های مینیاتوری شبیه به مغزی هستند که به طور مصنوعی رشد کرده‌اند. ارگانوئیدهای مغزی با کشت سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی در یک ساختار سه‌بعدی با استفاده از بیوراکتور ایجاد می‌شوند و در طی چند ماه توسعه می‌یابند. این روش کاربردهای بالقوه‌ای در مطالعه‌ی رشد، فیزیولوژی و عملکرد مغز دارد. ممکن است ارگانوئیدهای مغزی “احساسات ساده” را در پاسخ به تحریک خارجی تجربه کنند و دانشمندان علوم اعصاب از جمله کسانی هستند که از توانایی ایجاد حس در این اندام‌ها ابراز نگرانی می‌کنند. آنها معتقدند که تکامل بیشتر این تکنیک باید از روش نظارتی دقیقی پیروی کند.
در خصوص ارگانوئیدهای عصبی بیشتر بدانید
مدل‌سازی بیماری‌ها
ارگانوئیدها فرصتی را برای ایجاد مدل‌های سلولی بیماری انسانی فراهم می‌کنند. از نمونه‌های بارز این کار استفاده از روش سیستم ویرایش ژنومی CRISPR برای ویرایش ژن در مدل‌های سلولی بیماری‌های کلیوی پلی‌کیستیک و گلومرواسکلروز است. با مقایسه‌ی فنوتیپ‌های ارگانوئیدی بافت‌های بیمار موش و انسان شباهت‌های راهگشایی برای درمان این عارضه حاصل شده است.
مثال جالب دیگر، استفاده از ارگانوئیدهای روده‌ای رشد‌یافته از بیوپسی‌های رکتوم برای مدل‌سازی فیبروز کیستیک بود که منجر به به اولین استفاده از ارگانوئیدها برای درمان شخصی شد. فیبروز کیستیک یک بیماری ارثی است که توسط نوعی از جهش‌ها در ژن تنظیم‌کننده عناصر غشایی ایجاد می‌شود. این ژن کانال یونی لازم برای ایجاد مایعات سطحی یک اپیتلیال سالم را کد می‌کند.
فناوری ارگانوئید: وضعیت فعلی و چشم اندازهای آینده
ارگانوئیدها سیستم‌های قدرتمندی برای تسهیل مطالعه اختلالات افراد و درمان‌های شخصی هستند. این فناوری نوظهور شانس ترجمه‌پذیری داروها برای درمان‌های بالینی و تقلید از پیچیدگی اندام‌ها را بهبود بخشیده است. رویکردهای متعددی که برای مدل‌سازی بیماری‌های انسانی، مهندسی بافت، توسعه دارو، تشخیص و پزشکی بازساختی پیشنهاد می‌کند از مهم‌ترین ویژگی‌های این تکنیک است. در این مقاله، تاریخچه فناوری ارگانوئید را ترسیم کرده و کاربردهای واقعی آن را خلاصه می‌کنیم، و سپس چالش‌ها و محدودیت‌هایی را که ارگانوئیدهای سه‌بعدی با آن مواجه می‌شوند، مورد بحث قرار می‌دهیم. در نهایت ارگانوئیدهای انسانی یک زیرساخت مکانیکی اساسی برای «مدل‌سازی انسانی» و برای تجویز داروهای شخصی‌سازی شده ارائه می‌دهند.
نویسنده: سینا جعفری
منابع:
- http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/38747/title/2013-s-Big-Advances-in-Science/
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC223021
