Storia della ricerca sugli organoidi: dalle cellule di spugna agli organi funzionali

Iniziamo con una semplice definizione di organoide che si riferisce a un assieme tridimensionale che contiene più tipi di cellule che sono disposte con istologia realistica, almeno alla micro-scala. Gli organoidi possono essere formati da cellule umane o animali, che possono essere cellule differenziate, cellule staminali o una miscela di entrambi.

L’aumento dell’uso di organoidi viene alimentato dal rapido sviluppo nelle derivazioni delle cellule staminali e dal desiderio di ridurre l’uso di modelli animali. Gli organoidi sono già utilizzati per comprendere i metodi di sviluppo della malattia, la neoplasia (cancro), detengono importanti applicazioni mediche e industriali (ad es., tossicologia) e, in ultima analisi, per il trapianto. Kerry Grens, autrice della rivista Scientist, ha nominato gli organoidi come uno dei “avanzamenti dell’anno”.1 Gli organoidi sono già stati sviluppati per rappresentare molte parti diverse del corpo umano, con applicazioni che dovrebbero crescere nei prossimi anni.

Cronologia-ricerca-organoidi-3d

Storia della ricerca sugli organoidi…

Gli organoidi 3D sono innegabilmente al centro della modellizzazione della malattia e della ricerca farmacologica. Poiché queste coltivazioni di cellule si auto-organizzano in gruppi e si differenziano in tipi di cellule che costituiscono un organo funzionale, sono molto meglio imitare le condizioni in vivo.

È importante notare che l’idea degli organoidi non è nuova. La tecnologia degli organoidi di oggi è il prodotto di decenni di ricerca. In effetti, le fondamenta del concetto risalgono all'inizio del 20° centennio.

Ecco un breve riepilogo della storia degli organoidi e di come i dispositivi molecolari si sono trovati un posto nella cronologia con le sue ampie soluzioni di ricerca sugli organoidi.

Prima della cellula dello stelo: Auto-organizzazione e ri-assemblaggio

L'auto-organizzazione delle cellule è stata osservata per la prima volta da Henry Van Pietrossl nel 1907. Durante la ricerca per l’US burocraies, ha scoperto che in determinate condizioni, le cellule di spugna silicee si degenerano in masse indifferenziate di tessuti che a loro volta potrebbero auto-organizzarsi e differenziarsi in spugne perfette.2 Questo esperimento ha dimostrato che le cellule contengono le informazioni per creare una struttura multicellulare senza indizi esterni o la necessità di una disposizione anatomica specifica.

Nel corso dei decenni successivi, altri gruppi di ricerca hanno osservato pattern simili di dissociazione-riaggregazione con organismi convenienti e ben studiati, come i pronefri anfibi (rene primitivo) nelle cellule di pulcino 19443embrionale nel 1960.4 Questi esperimenti hanno dimostrato che l’auto-organizzazione osservata da Wilson si verifica anche nei modelli di vertebrati.

La prima teoria scientifica per la rigenerazione cellulare è apparsa quando 1964 Malcolm Steinberg ha ipotizzato che le cellule si auto-organizzassero secondo “termodinamica mediata dall’adesione differenziale della superficie”.5 Ha suggerito che le cellule che esprimano lo stesso “sistema adesivo” aderiranno più strettamente tra loro rispetto alle cellule che esprimano diversi sistemi adesivi. Pertanto, le miscele di cellule si riaggregano in base al loro tipo “adesivo”. Le prove successive hanno tuttavia dimostrato che la riaggregazione delle cellule richiede più della semplice termodinamica e richiede meccanismi cellulari aggiuntivi.

Prima della cellula dello stelo: Auto-organizzazione e ri-assemblaggio

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L'importanza della Matrice Extracellulare (ECM)

Gli anni ’80 hanno visto importanti tappe nella ricerca sugli organoidi, poiché le interazioni cellula-matrice sono state indagate nel contesto dello sviluppo degli organoidi.

Per evitare che la coltura cellulare venga contaminata dalla piastra di plastica, i ricercatori hanno iniziato a utilizzare impalcature, idrogel che imitano l'ECM naturale. Ancora più importante, un ECM fornirebbe alla cellula le proteine necessarie per segnalare l'adesione e la differenziazione.

Nel 1987, l'importanza dell'ECM è stata evidenziata da Li et al., che hanno utilizzato il matrigel (Engelbreth-Holm-Sheat) da cellule di sarcoma murino, costituito da proteine adesive comunemente presenti nell'ECM umano. Utilizzando il mezzo EHS, potevano far crescere l’epitelio del seno in dotti e dutti 3D completamente formati, che mostravano la secrezione di proteine del latte.6

Shannon et. al. hanno utilizzato la stessa strategia ECM per dimostrare la differenziazione funzionale delle cellule epiteliali alveolari di tipo II.7

Ricerca sulle cellule staminali

Prima dello sviluppo delle cellule staminali, la formazione di organoidi umani dipendeva dall'uso di frammenti di tessuto isolati dagli esseri umani. La ricerca sulle cellule staminali prosperava contemporaneamente negli anni ’80. Ad esempio, i ricercatori potrebbero isolare per la prima volta le cellule staminali pluripotenti dagli embrioni di topo in 1981.

Lo sviluppo delle prime linee di cellule staminali embrionali (Thomson et al 1998) e delle linee di cellule staminali pluripotenti indotte dall’uomo (hiPSC) in seguito è stato determinante per l’interesse nella ricerca sugli organoidi. Ancora più importante, l’hiPSC può essere differenziato in una varietà di tipi di cellule in un terreno condizionato con fattori8 di crescita specifici che forniscono i materiali di partenza per la crescita di organoidi su larga scala. Anche la tempistica, il fattore temporale, era importante nella creazione di organoidi. Queste osservazioni erano più che sufficienti per portare le cellule staminali in prima linea nella ricerca sugli organoidi.

Cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC)

Una cellula staminale pluripotente indotta, chiamata anche cellula iPS o iPSC, è una cellula prelevata dal tessuto dell’adulto, di solito derivata dalla pelle o dalle cellule del sangue, e geneticamente modificata in uno stato pluripotente embrionale. Sviluppate per la prima volta dalle cellule della pelle di topo dal team di Shinya Yamanaka presso la Kyoto University, Giappone nel 2006,9 le cellule iPS sono promesse nel campo della medicina rigenerativa.

Le cellule staminali pluripotenti possono propagarsi o auto-rinnovarsi a tempo indefinito e possono differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula dell’adulto nel corpo, come i neuroni o le cellule del cuore, del pancreas e del fegato. Inoltre, poiché gli iPSC possono essere derivati direttamente da tessuti adulti, possono essere realizzati in modo corrispondente al paziente, il che significa che è possibile creare importanti modelli cellulari correlati alla malattia che trasportano un gene mutato, che può sottoporre a screening l’efficacia del farmaco o testare la sensibilità al farmaco di un singolo paziente nelle cellule derivate dal paziente. Potenzialmente, ogni persona potrebbe avere la propria linea di cellule staminali pluripotenti che offre una singola fonte di cellule per sostituire il tessuto del cuore o del fegato danneggiato. Immagini iPSC generate da cellule del sangue che potrebbero creare nuovo sangue privo di cellule oncologiche per un paziente con leucemia, o neuroni per trattare i disordini logici.

Cellula dello stelo: Ricerca di organoidi moderni

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Dopo la cellula dello stelo: Ricerca di organoidi moderni

L'isolamento delle cellule staminali ha accelerato la ricerca sugli organoidi e ha aperto molte porte. Gli organoidi derivati dalle cellule dello stelo sono stati molto più efficaci nel monitoraggio della risposta immunitaria rispetto alle biopsie del paziente, il che significa che erano molto più approfonditi per la modellizzazione della malattia.

Nel 2008, Sasai et.al ha istituito le basi degli organoidi del cervello dimostrando l'auto-organizzazione degli iPSC del cervello umano in cellule neurali che formavano tessuti articolari polarizzati.10

2009 è stato un altro anno significativo per la ricerca sugli organoidi moderni. Sato et al. hanno dimostrato per la prima volta che le cellule staminali intestinali dell’adulto (ASC) potrebbero auto-organizzarsi e differenziarsi per formare strutture di cripta-villo intestino che contenevano tutti i diversi tipi di cellule intestino.11

Tre anni dopo, lo stesso laboratorio di ricerca ha anche piantato i semi della terapia con cellule staminali dimostrando la trapiantibilità degli organoidi intestinali in un colon di topo danneggiato. Gli organoidi trapiantati potrebbero integrarsi completamente nel colon murino con successo sostenuto anche dopo sei mesi.12

Elementi salienti dell’organoide moderno

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La ricerca sugli organoidi si è espansa rapidamente nel corso del decennio precedente per includere vari organi e modelli di malattia. Ecco alcuni punti salienti:

Immagine organoide cellulare

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Ricerca sugli organoidi presso i dispositivi molecolari

Nel corso dell’ultimo decennio, i progressi nello sviluppo di organoidi sono saliti alle stelle, generando organoidi più complessi e simili alla vita che mai. Inevitabilmente, le tecniche di imaging e analisi devono tenere il passo con gli sviluppi continui. Con lo spostamento dei tipi di campione da modelli di celle 2D a 3D, i metodi tradizionali non otterranno risultati di alta qualità e un'acquisizione rapida.

La ricerca sugli organoidi è molto più fattibile grazie alla Caratterizzazione automatica, all’imaging ad alto contenuto e alle tecniche di analisi avanzate in una piattaforma ad alta rendimento. Questa piattaforma ci ha consentito di automatizzare i flussi di lavoro per una serie di operazioni, come la generazione di cellule staminali, la Caratterizzazione degli organoidi, lo screening dei farmaci e la valutazione della tossicità, su vari tipi di organoidi, dal polmone all’cerebrale.

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Riferimenti bibliografici

  1. Grens, K. "I grandi passi avanti del 2013 in campo scientifico. Scienziato, New York ( 2013): 110.Grens, K. "I grandi progressi della scienza nel 2013. The Scientist, New York City (2013): 110.
  2. Wilson, H. V. “Un nuovo metodo con cui le spugne possono essere allevate in modo artificiale”. Scienza 25,649 ( 1907): 912-915.Wilson, H. V. "Un nuovo metodo con cui le spugne possono essere allevate artificialmente". Scienza 25,649 (1907): 912-915.
  3. Holtfreter, Johannes. "Studi sperimentali sullo sviluppo dei pronefri." Rev. lattina di biol. 3 (1943): 220-250.Holtfreter, Johannes. “Studi sperimentali sullo sviluppo dei pronefri.” Rev. lattina biol. 3 (1943): 220-250.
  4. Weiss, Paul e A. C. Taylor. "Ricostituzione di organi completi da sospensione di singole cellule di embrioni di pulci in fasi avanzate di differenziazione." Procedimenti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America 46,9 ( 1960): 1177.Weiss, Paul e A. C. Taylor. “ricostituzione di organi completi da sospensioni monocellulari di embrioni di pulci in stadi avanzati di differenziazione”. Procedimento della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d’America 46,9 (1960): 1177.
  5. Steinberg, Malcolm S. "Il problema della selettività dell'adesivo nelle interazioni cellulari." Membrane cellulari in fase di sviluppo. Vol. 22. Academic Press New York, 1964. 321-366.Steinberg, Malcolm S. "Il problema della selettività dell'adesivo nelle interazioni cellulari". Membrane cellulari in fase di sviluppo. Vol. 22. Academic Press New York, 1964. 321-366.
  6. Li, Ming Liang, et al. “Influenza di una membrana di base ricostituita e dei suoi componenti sull’espressione e sulla secrezione del gene della caseina nelle cellule epiteliali di mammifero murino”. Procedimenti della National Academy of Sciences 84,1 ( 1987): 136-140.Li, Ming Liang, et al. “Influenza di una membrana basale ricostituita e dei suoi componenti sull’espressione e la secrezione del gene della caseina nelle cellule epiteliali mammarie murine”. Procedimento dell’Accademia Nazionale delle Scienze 84,1 (1987): 136-140.
  7. Shannon, John M., Robert J. Mason e Susan D. Jennings. "Differenziazione funzionale delle cellule epiteliali alveolari di tipo II in vitro: effetti della forma cellulare, delle interazioni cellula-matrice e delle interazioni cellula-cellula”. Ricerca sulle cellule molecolari ( 931,2 1987): 143-156.Shannon, John M., Robert J. Mason e Susan D. Jennings. “Differenziazione funzionale in vitro delle cellule epiteliali alveolari di tipo II: effetti della forma cellulare, interazioni cellula-matrice e interazioni cellula-cellula”. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Ricerca cellulare molecolare 931,2 (1987): 143-156.
  8. Martin, Gail R. "Isolamento di una linea cellulare pluripotente da embrioni di topo iniziale coltivati in un terreno condizionato da cellule staminali di teratocarcinoma." Procedimenti della National Academy of Sciences 78,12 ( 1981): 7634-7638.Martin, Gail R. “Isolamento di una linea cellulare pluripotente da embrioni di topo precoci coltivati in terreno condizionato da cellule staminali del teratocarcinoma”. Procedimento dell’Accademia Nazionale delle Scienze 78,12 (1981): 7634-7638.
  9. Takahashi K, Yamanaka S (agosto 2006). "Induzione di cellule staminali pluripotenti da coltivazioni di fibroblasti embrionali di topo e adulti da fattori definiti". Cella. 126 (4): 663–76.Takahashi K, Yamanaka S (agosto 2006). “Induzione di cellule staminali pluripotenti da colture di fibroblasti murini embrionali e adulti da fattori definiti”. Cellula. 126 (4): 663–76.
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  11. Sato, Toshiro, et al. "Le singole cellule staminali Lgr5 costruiscono strutture di criptocripto-villo in vitro senza una nicchia mesenchimale." Natura 459,7244 ( 2009): 262-265.Sato, Toshiro, et al. "Le cellule staminali Lgr5 singole costruiscono strutture cripta-villo in vitro senza una nicchia mesenchimale". Natura 459,7244 (2009): 262-265.
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  13. Unbekandt, Mathieu e Jamie A. Davies. "La dissociazione dei reni embrionali seguita da riaggregazione consente la formazione di tessuti renali." Rene internazionale 77,5 ( 2010): 407-416.Unbekandt, Mathieu e Jamie A. Davies. “La dissociazione dei reni embrionali seguita dalla riaggregazione consente la formazione dei tessuti renali”. Rene internazionale 77,5 (2010): 407-416.
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  15. Lee, Joo-Hyeon, et al. "Differenziazione delle cellule dello stelo di Lung nei topi diretta dalle cellule endoteliali tramite un asse BMP4-NFATc1-thrombospondin-1." Cella 156,3 ( 2014): 440-455.Lee, Joo-Hyeon, et al. “Differenziazione delle cellule staminali polmonari nei topi diretta dalle cellule endoteliali tramite un asse BMP4-NFATc1-thrombospondin-1”. Cella 156,3 (2014): 440-455.
  16. Huch, Meritxell, et al. "Espansione in vitro di singole cellule gintanee Lgr5+ indotte dalla rigenerazione indotta da Wnt." Natura 494,7436 ( 2013): 247-250.Huch, Meritxell, et al. “Espansione in vitro di singole cellule staminali epatiche Lgr5+ indotte dalla rigenerazione guidata da Wnt”. Natura 494,7436 (2013): 247-250.
  17. Greggio, Chiara, et al. "Le nicchie tridimensionali artificiose decostruiscono lo sviluppo del pancreas in vitro." Sviluppo 140,21 ( 2013): 4452-4462.Greggio, Chiara, et al. “Le nicchie tridimensionali artificiali decostruiscono lo sviluppo del pancreas in vitro.” Sviluppo 140,21 (2013): 4452-4462.

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