Stanford -Wissenschaftler bauen vaskularisierte Herz- und Leberorganoide an

Seit über einem Jahrzehnt wachsen Wissenschaftler Organoide – kleine Zellcluster, die ein bestimmtes Organ nachahmen -, um als Miniatur -biologische Modelle zu dienen. Organoide des Gehirns wurden verwendet, um neurologische Entwicklungsstörungen zu untersuchen. Darmorganoide, um Zöliakie zu modellieren; und Lungenorganoide, um SARS-CoV-2 zu untersuchen. Herzorganoide wurden sogar in den Raum geschickt, um die Wirkung der Mikrogravitation auf den Herzmuskel zu testen. Aber es gibt ein kleines Problem – die Organoide können nicht größer wachsen als ein Sesam.

Im Gegensatz zu lebendem Gewebe im Körper fehlt Organoiden ein Blutgefäßsystem, das jeder Zelle Sauerstoff und Nährstoffe liefert. Über etwa 3 Millimeter im Durchmesser kann sich ein Organoid nicht mehr aufrechterhalten, indem Ressourcen direkt aus seiner Umgebung absorbiert werden.

Wenn Sie Organoide zu einer bestimmten Größe anbauen, beginnen sie im Inneren zu sterben, weil sie nicht Sauerstoff und Nährstoffe in die Mitte bringen können. „

Oscar Abilez, MD, PhD, leitender Wissenschaftler, Abteilung für pädiatrische Herzchirurgie

Aber für eine Studie, die am 5. Juni in veröffentlicht wurde WissenschaftAbilez und ein Team von Forschern der Stanford Medicine haben Herz- und Leber -Organoide mit winzigen Blutgefäßen gewonnen, sodass sie die aktuelle Größengrenze überwinden können.

Die Fähigkeit, vaskularisierte Organoide zu züchten, überwindet einen großen Engpass auf diesem Gebiet, sagte Abilez, der Co-Lead-Autor der Studie ist. Die integrierten Blutgefäße könnten es den Organoiden ermöglichen, nicht nur größer zu werden, sondern auch einen ausgereifteren Zustand zu erreichen, was sie als biologische Modelle nützlicher macht.

Huaxiao (Adam) Yang, ehemaliger Ausbilder am Stanford Cardiovascular Institute und jetzt Assistenzprofessor für Biomedizinische Ingenieurwesen an der University of North Texas, leitete die Studie.

Sie könnten auch der nächste Schritt in regenerativen Therapien sein, sagte Joseph Wu, MD, PhD, der hochrangige Autor der Studie. Wu ist Professor für Medizin und Radiologie, Direktor des Stanford Cardiovascular Institute und Simon H. Sterder, MD, Professor.

In einer separaten klinischen Studie, die von WU geleitet wird, injizieren die Forscher von Stanford Medicine in Patienten mit Herzfunktionsstörungen mit Herzmuskelzellen, die als Kardiomyozyten bezeichnet werden. „Aber das tatsächliche Herzgewebe enthält mehr als Kardiomyozyten“, sagte Wu. „Es gibt Endothelzellen, die Blutgefäße auskleiden, glatte Muskelzellen, die Blutgefäße umgeben, Perizyten, die Blutgefäße, Fibroblasten und andere Zellen verbinden.“

In Zukunft könnten möglicherweise vaskularisierte Herzorganoide aus den eigenen Stammzellen eines Patienten chirurgisch implantiert werden, um verlorenes oder beschädigtes Gewebe zu ersetzen.

„Der Gedanke ist, dass Organoide, wenn sie ein Gefäßsystem haben, sich mit dem Wirtsvaskulatur verbinden könnten, und das gibt ihnen eine bessere Chance, zu überleben“, sagte Abilez.

Rezepttests

Wissenschaftler bauen Organoide aus pluripotenten Stammzellen, indem sie die Zellen in verschiedenen Chemikalien – Wachstumsfaktoren und anderen kleinen Molekülen – baden, um ihre Transformation in verschiedene Zelltypen zu induzieren.

Versuche, vaskularisierte Herzorganoide zu wachsen, haben jedoch inkonsistente Spiegel der zur Bildung von Blutgefäßen benötigten Zelltypen hervorgerufen. Andere Forscher haben einen technischen Ansatz ausprobiert, getrennt Endothelzellen oder sogar 3D -Bioprinting -vaskularisierte Netzwerke und kombinieren sie dann mit einem Herzorganoid. Aber keiner hat Organoide mit realistischen Blutgefäßsystemen erreicht.

„Sie machen nicht wirklich verzweigte Schiffe mit Durchgängen“, sagte Abilez.

In der kürzlich veröffentlichten Studie machte sich das Team darauf vor, ein chemisches Rezept zu optimieren, um Herzorganoide zu wachsen, das nahezu alle Zelltypen im menschlichen Herzen zuverlässig erzeugen könnten, einschließlich Zellen, die ein robustes Netzwerk von Blutgefäßen bilden.

Die Forscher untersuchten die etablierten Methoden zur Erstellung von drei Schlüsselarten von Zellen: Kardiomyozyten, Endothelzellen und glatte Muskelzellen. Sie kombinierten diese Methoden in 34 verschiedene Rezepte oder Wachstumsbedingungen – angeben, welche Wachstumsfaktoren, wie viel und wann sie hinzugefügt werden müssen -, um Herzorganoide zu schaffen, die alle drei Zelltypen enthalten.

Sie modifizierten auch Stammzellen, um in verschiedenen Farben zu fluoreszieren, wenn sie sich in die drei Zelltypen verwandelten.

Als sie die 34 Rezepte auf Stammzellen testeten und es ihnen ermöglichten, etwa zwei Wochen lang zu wachsen, war eine – Bedingung 32 – der klare Gewinner. Es produzierte das farbenfrohste Herzorganoid.

„Es war ziemlich offensichtlich“, sagte Abilez. „Wir haben die ausgewählt, die uns die meisten dieser drei fluoreszierenden Farben gab, die den meisten Kardiomyozyten, Endothelzellen und glatten Muskeln entsprechen.“

Unter der 3D-Mikroskopie wurden die tughnussförmigen Organoide mit Kardiomyozyten und glatten Muskelzellen auf der Innenseite zusammen mit einer äußeren Schicht von Endothelzellen organisiert, die unverkennbare Blutgefäße bildeten. Diese winzigen, verzweigten röhrenförmigen Gefäße ähneln den Kapillaren im Herzen, die 10 bis 100 Mikrometer sind, über die Breite eines Haares im Durchmesser.

Als die Forscher die anderen Zellen in den Organoiden unter Verwendung einer Einzelzell-RNA-Sequenzierung analysierten, waren sie überrascht, fast alle anderen Zelltypen des Herzens zu finden. Jedes Organoid enthielt 15 bis 17 verschiedene Zelltypen, vergleichbar mit einem sechs Wochen alten embryonalen Herzen, das 16 Zelltypen hat. Ein erwachsenes Herz hat 21 Zelltypen.

„Es hatte all diese anderen Zelltypen, die im Herzen gefunden wurden“, sagte Abilez. „Das war auf positive Weise unerwartet.“

Entwicklungsmodell

Das Gewinnrezept scheint die Bedingungen in frühen Stadien der embryonalen Entwicklung zu approximieren, wenn sich verschiedene Zelltypen entstehen und die Blutgefäße beginnen.

Dies deutet darauf hin, dass die Organoide als Modelle der frühesten Stadien der menschlichen Entwicklung wertvoll sein könnten, eine Zeit, die schwer zu untersuchen ist.

„Es gibt diese schwarze Entwicklung in der frühen Schwangerschaft, wenn es nicht möglich ist, Medikamente zu testen“, sagte Abilez.

Als Proof of Concept testeten die Forscher Fentanyl, ein starkes und oft missbrauchtes Opioid, an den vaskularisierten Herzorganoiden. Sie fanden heraus, dass Organoide, die Fentanyl ausgesetzt waren, mehr Blutgefäße erzeugten.

„Wir wissen noch nicht, wie sich das noch in einem Neugeborenen manifestieren könnte, aber es ist ein Unterschied“, sagte Abilez.

Andere Organe

Die Forscher zeigten auch, dass ihre Vaskularisierungsstrategie angepasst werden könnte, um andere Organoide zu schaffen. Durch die Kombination etablierter Methoden zur Unterscheidung der Schlüsselzelltypen in der Leber erzeugten sie Leberorganisationen mit robusten Netzwerken von Blutgefäßen.

In zukünftigen Studien werden die Forscher es den vaskularisierten Organoiden ermöglichen, sich länger zu entwickeln, wie groß und reif sie werden. Sie planen auch, ihre Vaskularisationsrezepte weiter zu optimieren, um noch mehr Zelltypen in den Organoiden wie Immunzellen und Blutzellen zu erzeugen, um der Zusammensetzung eines erwachsenen Herzens und besserer Modellkrankheiten besser zu ähneln, sagte Wu.

„Ich würde gerne in der Lage sein, dies in all den verschiedenen Organoid -Typen zu tun“, sagte Abilez. „Schließlich hat fast jedes Organ in unserem Körper ein Blutgefäßsystem.“

Forscher der University of North Texas, Rosebud Biosciences, Bullseye Biotechnologies und Greenstone Biosciences trugen zur Arbeit bei.

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