במשך למעלה מעשור, מדענים מגדלים אורגנואידים – אשכולות קטנים של תאים המחקים איבר מסוים – שישמשו מודלים ביולוגיים מיניאטוריים. אורגנואידים של המוח שימשו לחקר הפרעות התפתחות עצביות; אורגני מעיים, לדגמן מחלת צליאק; ואורגנואידים ריאות, לחקור את SARS-COV-2. אורגנואידים לב אפילו נשלחו לחלל לבדיקת השפעת המיקרו -גרביטציה על שרירי הלב. אבל יש בעיה זעירה – האורגנואידים לא יכולים לגדול יותר מזרע שומשום.
בניגוד לרקמות חיות בגוף, לאורגנואידים אין מערכת כלי דם המספקת חמצן וחומרים מזינים לכל תא. מעבר לקוטר של כ -3 מילימטרים, אורגנואיד כבר לא יכול לקיים את עצמו על ידי ספיגת משאבים ישירות מסביבתו.
כשאתה מגדל אורגנים לגודל מסוים הם מתחילים למות בפנים מכיוון שהם לא יכולים להשיג חמצן וחומרים מזינים למרכז. "
אוסקר אבילז, ד"ר דוקטורט, מדען בכיר, חטיבה לניתוח לב ילדים
אבל למחקר שפורסם ב -5 ביוני ב מַדָעאבילז וצוות חוקרי רפואת סטנפורד גידלו אורגנואידים בלב וכבד מלאים בכלי דם זעירים, ובכך עשויים לאפשר להם להתגבר על מגבלת הגודל הנוכחית.
היכולת לגדל אורגנואידים כלי דם מתגברת על צוואר בקבוק גדול בתחום, אמר אבילז, שהוא מחבר המוביל של המחקר. כלי הדם המשולבים עשויים לאפשר לאורגנואידים לא רק לגדול יותר, אלא גם להגיע למצב בוגר יותר, מה שהופך אותם לשימושיים יותר כמודלים ביולוגיים.
Huaxiao (Adam) יאנג, לשעבר מדריך במכון הקרדיווסקולרי של סטנפורד וכעת הוא עוזר פרופסור להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת צפון טקסס, הוביל את המחקר.
הם יכולים להיות גם הצעד הבא בטיפולים התחדשים, אמר ג'וזף וו, ד"ר דוקטורט, המחבר הבכיר של המחקר. וו הוא פרופסור לרפואה ורדיולוגיה, מנהל המכון הקרדיווסקולרי של סטנפורד וסיימון ה. שטרצר, ד"ר, פרופסור.
במחקר קליני נפרד שהובל על ידי WU, חוקרי הרפואה של סטנפורד מזריקים תאי שרירי לב שגדלו במעבדה, המכונים קרדיומיוציטים, לחולים עם תפקוד לקוי. "אבל רקמת לב ממש מכילה יותר מאשר קרדיומיוציטים," אמר וו. "ישנם תאי אנדותל הקווים כלי דם, תאי שרירים חלקים המקיפים כלי דם, פריסיטים המחברים כלי דם, פיברובלסטים ותאים אחרים."
בעתיד, יתכן שניתן היה להשתיל אורגנים לבביים של כלי הדם, הגדלים מתאי גזע של המטופל עצמו, כדי להחליף רקמה אבודה או פגומה.
"המחשבה היא שאם לאורגנואידים יש מערכת כלי דם, הם יכולים להתחבר לכלי הדם המארחים, וזה ייתן להם סיכוי טוב יותר לשרוד", אמר אבילז.
בדיקת מתכונים
מדענים מגדלים אורגנואידים מתאי גזע פלוריפוטנטיים על ידי רחצה של התאים בכימיקלים שונים – גורמי צמיחה ומולקולות קטנות אחרות – כדי לגרום להפיכתם לסוגי תאים שונים.
אולם הניסיונות לגדל אורגני לב וסקולריים ייצרו רמות לא עקביות של סוגי התאים הדרושים ליצירת כלי דם. חוקרים אחרים ניסו גישה הנדסית, גידלו בנפרד תאי אנדותל, או אפילו רשתות כלי דם דו -ממדיות תלת מימדיות, ואז משלבים אותם עם אורגנואיד לב. אך אף אחד מהם לא השיג אורגנואידים עם מערכות כלי דם מציאותיות.
"הם לא באמת מכינים כלי שיט מסועפים עם מעברים," אמר אבילז.
במחקר שפורסם לאחרונה, הצוות התכוון לייעל מתכון כימי לגידול אורגני לב שיכולים לייצר באופן אמין כמעט את כל סוגי התאים בלב האנושי, כולל תאים המהווים רשת חזקה של כלי דם.
החוקרים סקרו את השיטות שנקבעו ליצירת שלושה סוגים עיקריים של תאים: קרדיומיוציטים, תאי אנדותל ותאי שריר חלק. הם שילבו שיטות אלה ל -34 מתכונים שונים, או תנאי גידול – ציינו אילו גורמי צמיחה, כמה ומתי להוסיף אותם – ליצירת אורגנים לבביים המכילים את כל שלושת סוגי התאים.
הם גם שינו תאי גזע לפלואורסציה בצבעים שונים כאשר הם הפכו לשלושת סוגי התאים.
כאשר בדקו את 34 המתכונים על תאי גזע ואיפשרו להם לצמוח כשבועיים, אחד בפרט – מצב 32 – היה המנצח הברור. זה ייצר את האורגנואיד הצבעוני ביותר.
"זה היה די ברור," אמר אבילז. "בחרנו את זה שנתן לנו את הכי הרבה מבין שלושת הצבעים הפלואורסצנטיים, התואמים את הכי קרדיומיוציטים, תאי אנדותל ותאי שרירים חלקים."
תחת מיקרוסקופיה תלת-ממדית, אורגנים בצורת דגנית היו מאורגנים עם קרדיומיוציטים ותאי שריר חלקים מבפנים, יחד עם שכבה חיצונית של תאי אנדותל שיצרו כלי דם שאינם ניתנים לטעות. כלי שיט צינוריים זעירים אלה דומים לנימים בלב, שהם 10 עד 100 מיקרון, ברוחב השיער בקוטר.
כאשר החוקרים ניתחו את התאים האחרים באורגנואידים באמצעות רצף RNA של תאים יחיד, הם הופתעו למצוא כמעט את כל שאר סוגי התאים של הלב. כל אורגנואיד הכיל 15 עד 17 סוגי תאים שונים, הדומים ללב עוברי בן שישה שבועות, שיש לו 16 סוגי תאים. בלב מבוגר יש 21 סוגי תאים.
"היו בו כל סוגי התאים האחרים האלה שנמצאים בלב," אמר אבילז. "זה לא היה צפוי בצורה חיובית."
מודל פיתוח
נראה כי המתכון הזוכה מתקרב לתנאים שנמצאים בשלבים מוקדמים של התפתחות עוברית, כאשר סוגי תאים שונים מופיעים וכלי דם מתחילים להיווצר.
זה מצביע על כך שהאורגנואידים יכולים להיות בעלי ערך כמודלים לשלבים המוקדמים ביותר של התפתחות אנושית, תקופה שקשה ללמוד.
"יש קופסת התפתחות שחורה זו בהריון מוקדם כשלא אפשרי, מבחינה אתית, לבחון תרופות", אמר אבילז.
כהוכחת מושג, החוקרים בדקו את פנטניל, אופיואיד חזק ולעתים קרובות נעשה שימוש לרעה, על אורגני הלב של כלי הדם. הם גילו כי אורגנואידים שנחשפו לפנטניל יצרו יותר כלי דם.
"אנחנו לא יודעים איך זה עשוי להתבטא בילוד עדיין, אבל זה הבדל," אמר אבילז.
איברים אחרים
החוקרים הראו גם כי ניתן להתאים את אסטרטגיית כלי הדם שלהם ליצירת אורגנואידים אחרים. על ידי שילוב שיטות מבוססות כדי להבדיל בין סוגי תאי המפתח בכבד, הם יצרו אורגני כבד עם רשתות חזקות של כלי דם.
במחקרים עתידיים, החוקרים יאפשרו לאורגנואידים כלי הדם להתפתח זמן רב יותר לראות כמה הם הופכים גדולים ובוגרים. הם גם מתכננים לייעל עוד יותר את מתכוני כלי הדם שלהם כדי לייצר סוגי תאים עוד יותר באורגנואידים, כמו תאי חיסון ותאי דם, כדי להידמות יותר לאיפור לב של לב למבוגרים ולדגם טוב יותר מחלות למבוגרים, אמר וו.
"אשמח להיות מסוגל לעשות זאת בכל סוגי האורגנואידים השונים," אמר אבילז. "אחרי הכל, כמעט לכל איבר בגופנו יש מערכת כלי דם."
חוקרים מאוניברסיטת צפון טקסס, Rosebud Biosciences, Bullseye Biotechnologies ו- Greenstone Biosciences תרמו לעבודה.
