Строение клетки органоид строение функции таблица: Таблица по биологии «Строение и функции органоидов клетки» скачать

Содержание

Тема 2.3. Строение клетки. | 10-11 класс

Строение клетки. Основные части и органоиды клетки, их строение и функции.
1. Дайте определение понятий.
Клетка – элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов, обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.
Органоиды клетки – постоянные клеточные структуры, клеточные органы, обеспечивающие выполнение специфических функций в процессе жизнедеятельности клетки — хранение и передачу генетической информации, перенос веществ, синтез и превращения веществ и энергии, деление, движение и др.
Хромосомы – нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации и которые предназначены для её хранения, реализации и передачи.

2. Назовите основные компоненты клеток.
Цитоплазма, ядро, плазматическая мембрана, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, лизосомы, микротрубочки и микрофиламенты.

3. Приведите примеры безъядерных клеток. Объясните причину их безъядерности. Чем отличается жизнь безъядерных клеток от клеток, имеющих ядро?
Прокариоты – клетки микроорганизмов, вместо ядра содержащие в клетке хроматин, который заключает в себе наследственную информацию.
У эукариот: эритроциты млекопитающих. На месте ядра в них находится гемоглобин и, следовательно, увеличивается связывание О2 и СО2, кислородная емкость крови — газообмен в легких и тканях протекает эффективнее.

4. Закончите схему «Типы органоидов по строению».

5. Заполните таблицу «Строение и функции органоидов клетки».

7. Что представляют собой клеточные включения? Каково их назначение?
Это скопления веществ, которые клетка или использует для своих нужд, или выделяет во внешнюю среду. Это могут быть гранулы белка, капли жира, зерна крахмала или гликогена, расположенные непосредственно в цитоплазме.


Эукариотические и прокариотические клетки. Строение и функции хромосом.
1. Дайте определение понятий.
Эукариоты – организмы, клетки которых содержат одно ли несколько ядер.
Прокариоты – организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра.
Аэробы – организмы, использующие в энергетическом обмене кислород воздуха.
Анаэробы – организмы, не использующие в энергетическом обмене кислород.

3. Заполните таблицу «Сравнение клеток прокариот и эукариот».

4. Нарисуйте схематично строение хромосом прокариотической и эукариотической клеток. Подпишите их основные структуры.
Что имеют общего и чем отличаются хромосомы эукариотических и прокариотческих клеток?
У прокариот ДНК кольцевая, не имеет оболочки и располагается прямо в центре клетки. Иногда у бактерий нет ДНК, а вместо нее РНК.

У эукариот ДНК линейная, находится в хромосомах в ядре, покрытом дополнительной оболочкой.
Общее для этих клеток то, что генетический материал представлен ДНК, находящейся в центре клетки. Функция одинакова – хранение и передача наследственной информации.

6. Почему ученые считают, что прокариоты являются наиболее древними организмами на нашей планете?
Прокариоты – наиболее простые и примитивные организмы по строению и жизнедеятельности, тем не менее – легко приспосабливаются практически к любым условиям. Это позволило им заселить планеты и дать начало другим, более развитым организмам.


Сходства и различия в строении клеток животных, растений и грибов.
1. Дайте определения понятий.
Сапротрофы –организмы, разрушающие отмершие остатки живых существ, превращающие их в неорганические и простейшие органические соединения и использующие их для питания.
Паразиты – организмы, использующие другие организмы в качестве источника питания.

Симбионты – организмы, находящиеся во взаимовыгодном отношении друг с другом.

2. Представители каких царств живой природы состоят из эукариотических клеток?
Грибы, растения и животные являются эукариотами.

4. Охарактеризуйте особенности строения клеток грибов по сравнению с клетками других эукариот.
Грибы являются чаще гетеротрофами, но есть паразиты и сапротрофы. В их клетках нет пластид, как у растений, тем не менее они растут в течение всей жизни и их клетки имеют клеточную стенку. Грибы не способны к активному движению. Клеточная стенка содержит хитин, вместо целлюлозы, который характерен для животных. Так же, как и у животных, запасным веществом у грибов является гликоген, а не крахмал. Таким образом, Грибы выделены в отдельное царство живых организмов.


Строение клетки. Органоиды клетки и их функции

1. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ. ОРГАНОИДЫ КЛЕТКИ И ИХ ФУНКЦИИ

2. КОРРЕКТИРОВКА домашнего задания

• Параграф 5 — 6, таблица в
тетради, вопросы
письменно
• Параграф 6, таблица в тетради,
вопросы письменно
ВЕЩЕСТВО КЛЕТКИ
ХИМИЧЕСКИЙ
СОСТАВ, СТРОЕНИЕ
МОЛЕКУЛ
БИОЛОГИЧЕСКАЯ
РОЛЬ В КЛЕТКЕ
КОЛИЧЕСТВО В
РАЗНЫХ ТИПАХ
*
КЛЕТОК
ВОДА
МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ
УГЛЕВОДЫ
ЛИПИДЫ
БЕЛКИ
ДНК
РНК
• *Содержание воды в листьях салата составляет 93—95%, кукурузы — 75—
77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях
подсолнечника воды содержится 80—83%, в стеблях — 87—89%, в корнях
— 73—75%
• *Количество углеводов разное в различных типах клеток. У растений их
много: в клубнях картофеля – до 90 %, в листьях, семенах, плодах – почти
70 %. В животных клетках их количество незначительно – почти 1 % ,
иногда до 5 % сухой массы.

4. Домашнее задание

• Параграф 7 — 8, И….

5. И….: ЗАПОЛНИТЬ ТАБЛИЦУ В ТЕТРАДИ. ПОДГОТОВИТЬСЯ К СЛОВАРНОМУ ДИКТАНТУ ПО ИЗУЧЕННОМУ МАТЕРИАЛУ

Неклеточная
форма жизни
Вирус
=
Вирион
нуклеиновая кислота + белок
Нуклеиновая
кислота
Оболочка
Капсид
Гликопротеид
Размеры вирусов
Самые маленькие – 17 нм
Мимивирус
50 нм
100 нм
Вирус
полиомиелита
Самый большой – 500 нм
Вирус табачной
мозаики
Вирус
гриппа
100 нм
Вирус
герпеса
Вирус
лихорадки Эбола
Вирус
оспы
Бактериофаг – вирус бактерий
ДНК
{
Полый
цилиндр
Головка
Литическая инфекция
Вирус герпеса
покидает клетку
Литическая инфекция
Вирус герпеса
в клетке
Липидная мембрана
Нейраминидаза (N)
Гемагглютинин (H)
РНК
Белковый
матрикс (М2)
Вирус гриппа
Н1 – Н16
N1 – N9
Вирус иммунодефицита человека
Липидная оболочка
капсид
Интеграза
РНК
Обратная транскриптаза

18. СТРОЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК НА ПРИМЕРЕ КЛЕТОК ЛИСТА КАМЕЛИИ

ПОКРОВНАЯ ТКАНЬ
СТОЛБЧАТАЯ
ХЛОРОФИЛЛОНОСНАЯ
ТКАНЬ
ГУБЧАТАЯ
ХЛОРОФИЛЛОНОСНАЯ
ТКАНЬ
Строение мембраны
Клеточная мембрана (плазмалемма)
Трансмембранный
белок
Погруженный
белок
Двойной слой
фосфолипидов
Олигосахарид
Рецептор
Периферический
белок
Фагоцитоз
Фагосома
Пиноцитоз
Пиноцитозный
пузырек
Пиноцитозные пузырьки
Фагоцитоз
Фагосома
Пиноцитоз
Пиноцитозный
пузырек
Пиноцитозные пузырьки
Экзоцитоз
Экзоцитоз
Двуслойная мембрана
Функции мембраны
1. Ограничение клетки от окружающей среды
2. Осуществление контактов с другими
клетками организма
3. Рецепторная функция
4. Транспортная функция
Органоиды
Эукариотическая клетка
Немембранные
Мембранные
Мембранные органоиды
Одномембранные
Ядро
Пластиды
Двумембранные
Полуавтономные
Митохондрии
Собственная кольцевая ДНК
Собственные рибосомы (машина синтеза белков)
Автономное размножение
Одномембранные органоиды
Вакуолярная система клетки
Шероховатая эндоплазматическая сеть
Гладкая эндоплазматическая сеть
Аппарат Гольджи
Лизосомы
Вакуоли
Фагосомы
Пероксисомы
Немембранные органоиды
Рибосомы
Цитоскелет
микрофиламенты
промежуточные филаменты
микротрубочки
центросома и центриоль
Органоиды движения
жгутики
реснички
Клеточная стенка
Включения
Ядро
ø 3-10 мкм
Наружная мембрана
Внутренняя мембрана
Ядерные поры
Ядрышко
ДНК
Кариоплазма
Функция ядра
Хранение, передача и реализация
генетической информации
Цитоплазма клеток

40. Изучив материал учебника, заполните таблицу:

НАЗВАНИЕ
ОРГАНОИДА
ЭПС
КОМПЛЕКС
ГОЛЬДЖИ
….
ЕГО СТРОЕНИЕ
ЭПС состоит из
разветвлённой сети
трубочек, окружённых
мембраной.
Выделяют два вида ЭПС:
гранулярная
(шероховатая),
агранулярная (гладкая).
На поверхности
гранулярной ЭПС
находится большое
количество рибосом.
ЕГО ФУНКЦИИ
Происходит
трансляция и
транспорт
белков, синтез
и транспорт
липидов и
стероидов. ЭПС
принимает
участие в
создании новой
ядерной
оболочки
СХЕМАТИЧЕСКИЙ
РИСУНОК

таблица, особенности устройства и что такое клеточный центр


Все живые существа и организмы на Земле состоят из клеток: растения, грибы, бактерии, животные, люди. Несмотря на минимальный размер, все функции целого организма выполняет клетка. Внутри нее протекают сложные процессы, от которых зависит жизнеспособность тела и работа его органов.

Структурные особенности

Учёные занимаются изучением особенности строения клетки и принципов ее работы. Детально рассмотреть особенности структуры клетки можно только при помощи мощного микроскопа.

Все наши ткани — кожные покровы, кости, внутренние органы состоят из клеток, которые являются строительным материалом, бывают разных форм и размеров, каждая разновидность выполняет определённую функцию, но основные особенности их строения сходны.

Сначала выясним, что лежит в основе структурной организации клеток

. В ходе проведенных исследований ученые установили, что клеточным фундаментом является мембранный принцип. Получается, что все клетки образованы из мембран, которые состоят из двойного слоя фосфолипидов, куда с наружной и внутренней стороны погружены молекулы белков.

Какое свойство характерно для всех типов клеток: одинаковое строение, а также функционал — регулирование процесса обмена веществ, использование собственного генетического материала (наличие ДНК и РНК), получение и расход энергии.

Строение клетки

В основе структурной организации клетки выделяются следующие элементы, выполняющие определенную функцию:

  • мембрана — клеточная оболочка, состоит из жиров и протеинов. Ее основная задача – отделять вещества, находящиеся внутри, от внешней среды. Структуру имеет полупроницаемую: способна пропускать кислород и оксид углерода;
  • ядро – центральная область и главный компонент, отделяется от других элементов мембраной. Именно внутри ядра находится информация о росте и развитии , генетический материал, представленный в виде молекул ДНК, входящих в состав хромосом;
  • цитоплазма — это жидкая субстанция, образующая внутреннюю среду, где происходят разнообразные жизненно важные процессы, содержит в себе очень много важных компонентов.

Из чего состоит клеточное содержимое, каковы функции цитоплазмы и ее основных компонентов:

  1. Рибосома — важнейший органоид, который необходим для процессов биосинтеза белков из аминокислот, белки выполняют огромное количество жизненно важных задач.
  2. Митохондрии – ещё один компонент, находящийся внутри цитоплазмы. Его можно описать одним словосочетанием – энергетический источник. Их функция заключается в обеспечении компонентов питанием для дальнейшего производства энергии.
  3. Аппарат Гольджи состоит из 5 – 8 мешочков, которые соединены между собой. Основная задача этого аппарата – передача протеинов в другие части клетки для обеспечения энергетического потенциала.
  4. Очистку от повреждённых элементов производят лизосомы.
  5. Транспортировкой занимается эндоплазматическая сеть, по которой белки перемещают молекулы полезных веществ.
  6. Центриоли отвечают за воспроизводство.

Ядро

Поскольку ядро — клеточный центр, поэтому следует уделить его строению и функциям особое внимание. Данный компонент является важнейшим элементом для всех клеток: содержит наследственные признаки. Без ядра стали бы невозможными процессы размножения и передачи генетической информации. Посмотрите на рисунок, изображающий строение ядра.

  • Ядерная оболочка, которая выделена сиреневым цветом, пропускает внутрь нужные веществам и выпускает обратно через поры — маленькие отверстия.
  • Плазма представляет собой вязкую субстанцию, в ней находятся все остальные ядерные компоненты.
  • ядро размещается в самом центре, имеет форму сферы. Его главная функция – образование новых рибосом.
  • Если рассмотреть центральную часть клетки в разрезе, то можно увидеть малозаметные синие переплетения — хроматин, главное вещество, который состоит из комплекса белков и длинных нитей ДНК, несущих в себе необходимую информацию.

Клеточная мембрана

Давайте подробнее рассмотрим работу, строение и функции этого компонента. Ниже представлена таблица, наглядно показывающая важность внешней оболочки.

Название органоида Строение органоида Функции органоида
Наружная клеточная мембрана Очень тонкая плёнка, которая состоит из двух молекулярных слоев белка, а также из слоя липидов. Также присутствуют поры, через которые могут проникать некоторые вещества Мембрана отделяет клетку от внешней среды, но обладает полупроницаемостью. Регулирует поступление веществ в клетку, и обеспечивает обмен веществ между клеткой и окружающей средой.

Строение мембраны

Хлоропласты

Это ещё один наиважнейший компонент. Но почему о хлоропластах не было упомянуто раньше, спросите вы. Да потому, что этот компонент содержится только в клетках растений. Главное различие между животными и растениями заключается в способе питания: у животных оно гетеротрофное, а у растений автотрофное. Это означает, что животные не способны создавать, то есть синтезировать органические вещества из неорганических – они питаются готовыми органическими веществами. Растения же, напротив, способны осуществлять процесс фотосинтеза и содержат особые компоненты — хлоропласты. Это пластиды зеленого оттенка, содержащие вещество хлорофилл. С его участием энергия света преобразуется в энергию химических связей органических веществ.

[warning]Интересно! Хлоропласты в большом объеме сосредоточены главным образом в надземной части растений — зелёных плодах и листьях.[/warning]

Если вам зададут вопрос: назовите важную особенность строения органических соединений клетки, то ответ можно дать следующий.

  • многие из них содержат атомы углерода, которые обладают различными химическими и физическими свойствами, а также способны соединяться друг с другом;
  • являются носителями, активными участниками разнообразных процессов, протекающих в организмах, либо являются их продуктами. Имеются ввиду гормоны, разные ферменты, витамины;
  • могут образовывать цепи и кольца, что обеспечивает многообразие соединений;
  • разрушаются при нагревании и взаимодействии с кислородом;
  • атомы в составе молекул объединяются друг с другом с помощью ковалентных связей, не разлагаются на ионы и потому медленно взаимодействуют, реакции между веществами протекают очень долго — по нескольку часов и даже дней.

Строение хлоропласт

Ткани

Клетки могут существовать по одной, как в одноклеточных организмах, но чаще всего они объединяются в группы себе подобных и образуют различные тканевые структуры, из которых и состоит организм. В теле человека существует несколько видов тканей:

  • эпителиальная – сосредоточена на поверхности кожных покровов, органов, элементов пищеварительного тракта и дыхательной системы;
  • мышечная — мы двигаемся благодаря сокращению мышц нашего тела, осуществляем разнообразные движения: от простейшего шевеления мизинцем, до скоростного бега. Кстати, биение сердца тоже происходит за счёт сокращения мышечной ткани;
  • соединительная ткань составляет до 80 процентов массы всех органов и играет защитную и опорную роль;
  • нервная — образует нервные волокна. Благодаря ей по организму проходят различные импульсы.

Соединительная ткань

Процесс воспроизводства

На протяжении всей жизни организма происходит митоз – так называют процесс деления, состоящий из четырёх стадий:

  1. Профаза. Две центриоли клетки делятся и направляются в противоположные стороны. Одновременно с этим хромосомы образуют пары, а оболочка ядра начинает разрушаться.
  2. Вторая стадия получила название метафазы. Хромосомы располагаются между центриолями, постепенно внешняя оболочка ядра полностью исчезает.
  3. Анафаза является третьей стадией, на протяжении которой продолжается движение центриолей в противоположном друг от друга направлении, а отдельные хромосомы также следуют за центриолями и отодвигаются друг от друга. Начинает сжиматься цитоплазма и вся клетка.
  4. Телофаза – окончательная стадия. Цитоплазма сжимается до тех пор, пока не появятся две одинаковые новые клетки. Формируется новая мембрана вокруг хромосом и появляется одна пара центриолей у каждой новой клетки.

[warning]Интересно! Клетки у эпителия делятся быстрее, чем у костной ткани. Все зависит от плотности тканей и других характеристик. Средняя продолжительность жизни основных структурных единиц составляет 10 дней.[/warning]

Строение клетки

 

Строение клетки. Строение и функции клетки. Жизнь клетки.

Вывод

Вы узнали каково строение клетки — самой важной составляющей организма. Миллиарды клеток составляют удивительно мудро организованную систему, которая обеспечивает работоспособность и жизнедеятельность всех представителей животного и растительного мира.

Структура и функции клетки. | Биология

Клетка – элементарная единица живой системы. Различные структуры живой клетки, которые отвечают за выполнение той или иной функции, получили название органоидов, подобно органам целого организма. Специфические функции в клетке распределены между органоидами, внутриклеточными структурами, имеющими определенную форму, такими, как клеточное ядро, митохондрии и др.

Клеточные структуры:

Цитоплазма. Обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром. Цитозоль – это вязкий водный раствор различных солей и органических веществ, пронизанный системой белковых нитей – цитоскелетам. Большинство химических и физиологических процессов клетки проходят в цитоплазме. Строение: Цитозоль, цитоскелет. Функции: включает различные органоиды, внутренняя среда клетки
Плазматическая мембрана. Каждая клетка животных, растений, грибов ограничена от окружающей среды или других клеток плазматической мембраной. Толщина этой мембраны так мала (около 10 нм.), что ее можно увидеть только в электронный микроскоп.

Липиды в мембране образуют двойной слой, а белки пронизывают всю ее толщину, погружены на разную глубину в липидный слой или располагаются на внешней и внутренней поверхности мембраны. Строение мембран всех других органоидов сходно с плазматической мембраной. Строение: двойной слой липидов, белки, углеводы. Функции: ограничение внутренней среды, сохранение формы клетки, защита от повреждений, регулятор поступления и удаления веществ.

Лизосомы. Лизосомы – это мембранные органоиды. Имеют овальную форму и диаметр 0,5 мкм. В них находится набор ферментов, которые разрушают органические вещества. Мембрана лизосом очень прочная и препятствует проникновению собственных ферментов в цитоплазму клетки, но если лизосома повреждается от каких-либо внешних воздействий, то разрушается вся клетка или часть ее.
Лизосомы встречаются во всех клетках растений, животных и грибов.

Осуществляя переваривание различных органических частиц, лизосомы обеспечивают дополнительным «сырьем» химические и энергетические процессы в клетке. При голодании клетки лизосомы переваривают некоторые органоиды, не убивая клетку. Такое частичное переваривание обеспечивает клетке на какое-то время необходимый минимум питательных веществ. Иногда лизосомы переваривают целые клетки и группы клеток, что играет существенную роль в процессах развития у животных. Примером может служить утрата хвоста при превращении головастика в лягушку. Строение: пузырьки овальной формы, снаружи мембрана, внутри ферменты. Функции: расщепление органических веществ, разрушение отмерших органоидов, уничтожение отработавших клеток.

Комплекс Гольджи. Поступающие в просветы полостей и канальцев эндоплазматической сети продукты биосинтеза концентрируются и транспортируются в аппарате Гольджи. Этот органоид имеет размеры 5–10 мкм.

Строение: окруженные мембранами полости (пузырьки). Функции: накопление, упаковка, выведение органических веществ, образование лизосом

Эндоплазматическая сеть
. Эндоплазматическая сеть является системой синтеза и транспорта органических веществ в цитоплазме клетки, представляющая собой ажурную конструкцию из соединенных полостей.
К мембранам эндоплазматической сети прикреплено большое число рибосом – мельчайших органоидов клетки, имеющих вид сферы с диаметром 20 нм. и состоящих из РНК и белка. На рибосомах и происходит синтез белка. Затем вновь синтезированные белки поступают в систему полостей и канальцев, по которым перемещаются внутри клетки. Полости, канальцы, трубочки из мембран, на поверхности мембран рибосомы. Функции: синтез органических веществ с помощью рибосом, транспорт веществ.

Рибосомы
. Рибосомы прикреплены к мембранам эндоплазматической сети или свободно находятся в цитоплазме, они располагаются группами, на них синтезируются белки. Состав белка, рибосомальная РНК Функции: обеспечивает биосинтез белка (сборку белковой молекулы из аминокислот).
Митохондрии. Митохондрии – это энергетические органоиды. Форма митохондрий различна, они могут быть остальными, палочковидными, нитевидными со средним диаметром 1 мкм. и длиной 7 мкм. Число митохондрий зависит от функциональной активности клетки и может достигать десятки тысяч в летательных мышцах насекомых. Митохондрии снаружи ограничены внешней мембраной, под ней – внутренняя мембрана, образующая многочисленные выросты – кристы.

Внутри митохондрий находятся РНК, ДНК и рибосомы. В ее мембраны встроены специфические ферменты, с помощью которых в митохондрии происходит преобразование энергии пищевых веществ в энергию АТФ, необходимую для жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Мембрана, матрикс, выросты – кристы. Функции: синтез молекулы АТФ, синтез собственных белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, образование собственных рибосом.

Пластиды
. Только в растительной клетке: лекопласты, хлоропласты, хромопласты. Функции: накопление запасных органических веществ, привлечение насекомых-опылителей, синтез АТФ и углеводов. Хлоропласты по форме напоминают диск или шар диаметром 4–6 мкм. С двойной мембраной – наружней и внутренней. Внутри хлоропласта имеются ДНК рибосомы и особые мембранные структуры – граны, связанные между собой и с внутренней мембраной хлоропласта. В каждом хлоропласте около 50 гран, расположенных в шахматном порядке для лучшего улавливания света. В мембранах гран находится хлорофилл, благодаря ему происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза органических соединений, в первую очередь углеводов.
Хромопласты. Пигменты красного и желтого цвета, находящиеся в хромопластах, придают различным частям растения красную и желтую окраску. Корень моркови, плоды томатов.

Лейкопласты являются местом накопления запасного питательного вещества – крахмала. Особенно много лейкопластов в клетках клубней картофеля. На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (в результате чего клетки картофеля зеленеют). Осенью хлоропласты превращаются в хромопласты и зеленые листья и плоды желтеют и краснеют.

Клеточный центр. Состоит из двух цилиндров, центриолей, расположенных перпендикулярно друг другу. Функции: опора для нитей веретена деления

Клеточные включения. Клеточные включения то появляются в цитоплазме, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки.

Плотные, в виде гранул включения содержат запасные питательные вещества (крахмал, белки, сахара, жиры) или продукты жизнедеятельности клетки, которые пока не могут быть удалены. Способностью синтезировать и накапливать запасные питательные вещества обладают все пластиды растительных клеток. В растительных клетках накопление запасных питательных веществ происходит в вакуолях.

Зерна, гранулы, капли
Функции: непостоянные образования, запасающие органические вещества и энергию

Ядро
. Ядерная оболочка из двух мембран, ядерный сок, ядрышко. Функции: хранение наследственной информации в клетке и ее воспроизводство, синтез РНК – информационной, транспортной, рибосомальной. В ядерной мембране находятся споры, через них осуществляется активный обмен веществами между ядром и цитоплазмой. В ядре хранится наследственная информация не только о всех признаках и свойствах данной клетки, о процессах, которые должны протекать к ней (например, синтез белка), но и о признаках организма в целом. Информация записана в молекулах ДНК, которые являются основной частью хромосом. В ядре присутствует ядрышко. Ядро, благодаря наличию в нем хромосом, содержащих наследственную информацию, выполняет функции центра, управляющего всей жизнедеятельностью и развитием клетки.

Основные органоиды и структу­ры клетки: строение и функции

Составьте и заполните таблицу «Основные органоиды и структу­ры клетки: строение и функции».

Ответ

Ядро.
Состоит из пористой ядерной оболочки, ядерного сока, ядрышка, хроматина и других не менее важных компонентов, обеспечивает хранение наследственной информации, регуляцию жизнедеятельности клетки, участвует в биосинтезе белка.

Цитоплазма.
Полужидкая среда клетки. Действует как вместилище органоидов, среда для транспорта веществ и протекания клеточных реакций.

Цитоплазматическая мембрана.
Липидно-белковый слой, покрывающий клетку. Одновременно разграничивает соседние клетки и обеспечивает транспорт.

ЭПС.
Упорядоченная система,состоящая из множества полостей и канальцев. Функции — транспорт, как внутриклеточный, так и внеклеточный, синтез белков, жиров и углеводов.

Аппарат Гольджи.
Система, состоящая из полостей и пузырьков. Синтезирует углеводы и жиры, формирует лизосомы, пакует и транспортирует органические вещества.

Рибосомы.
Мелкие, чаще всего шарообразные. Функция одна — синтез белка.

Митохондрии.
Двумембранные органоиды, внутри имеют выросты-кристы и внутреннюю среду — матрикс. Синтезируют АТФ, собственные белки.

Лизосомы. Чаще всего овальные органоиды, представляющие собой полые пузырьки. Функция — пищеварительная, за счёт ферментов могут расщеплять составляющие клетки.

Хлоропласты (свойственны только растительным клеткам).
Двумембранные органоиды, внутреннее пространство которых включает в себя стопки тилакоидов — граны и внутреннее содержимое — строму. Функция — фотосинтез. Бесцветная разновидность хлоропластов — лейкопласты — накапливают питательные вещества. Хромопласты обеспечивают окраску листьев, плодов и др.

Вакуоль (только для растительной клетки).
Полый крупный органоид, заполненный клеточным соком. Поддерживает форму клетки, запасает вещества.

Какие функции выполняют клеточные органоиды? Таблица, строение

Органоиды клетки — стойкие клеточные органы, структуры, которые обеспечивают осуществление ряда функций в процессе жизнедеятельности клетки: сохранение и передачу генетической информации, движение, деление, перенос веществ, синтез и другие.

К органеллам клеток эукариот входят:

  • хромосомы;
  • рибосомы;
  • митохондрии;
  • клеточная мембрана;
  • микрофиламенты;
  • микротрубочки;
  • комплекс Гольджи;
  • эндоплазматическая сеть;
  • лизосомы.

Также обычно ядро относят к органоидам клеток эукариот. Основная особенность растительной клетки — это наличие пластид.

Строение растительной клетки:

Как правило, растительная клетка включает:

  • мембрана;
  • цитоплазма с органоидами;
  • целлюлозная оболочка;
  • вакуоли с клеточным соком;
  • ядро.
Строение животной клетки:

Строение животной клетки состоит из:

  • цитоплазма с органоидами;
  • ядро с хромосомами;
  • наличие наружной мембраны.

Это интересно — Какую функцию выполняет клеточная мембрана — её свойства и функции.

Какую функцию выполняют клеточные органоиды — таблица
Название органоида Строение органоида Функции органоида
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) Система плоские слоев, которая создает полости и каналы. Существует два типа: гладкая и гранулированная (есть рибосомы).

 

1. Разделяет цитоплазму клетки на изолированные пространства, с целью отсоединить большинство параллельно идущих реакций.

2. На гладкой ЭПС синтезируются углеводы и жиры, а на гранулированной — белки.

3. Нужна для доставки и циркуляции питательных веществ внутри клетки.

Митохондрии

Размеры составляют от 1 до 7 мкм. Число митохондрий может равняться до десятков тысяч в клетке. Внешняя оболочка митохондрий наделена двухмембранной структурой. Наружная мембрана гладкая. Внутренняя состоит из выростов крестообразной формы с дыхательными ферментами.

1. Обеспечивают синтез АТФ.

2. Энергетическая функция.

Клеточная мембрана Имеет трехслойную структуру. Содержит липиды трех классов: фосфолипиды, гликолипиды, холестерол.

1. Поддержание структуры мембран.

2. Перемещение различных молекул.

3. Выборочная проницаемость.

4. Получение и изменение сигналов из окружающей среды.

Ядро Самая большая органелла, которая помещена в оболочку из двух мембран. Имеет хроматин, а также содержит структуру «ядрышко».

1. Хранение генетической информации, а также передача её дочерним клеткам в процессе деления.

2. Хромосомы содержат ДНК.

3. В ядрышке формируются рибосомы.

4. Контроль жизнедеятельности клетки.

Рибосомы  Мелкие органоиды, которые имеют сферическую или эллипсоидную форму. Диаметр обычно составляет 15-30 нанометров. 1. Обеспечивают синтез белка.
Цитоплазма

Внутренняя среда клетки, которая содержит ядро и прочие органоиды. Структура — мелкозернистая, полужидкая.

 

1. Транспортная функция.

2. Нужна для взаимодействия органоидов.

2. Регулирует скорость протекания обменных биохимических процессов.

Лизосомы Обычный сферический мембранный мешочек, который заполненный пищеварительными ферментами.

1. Различные функции, которые связаны с распадом молекул или структур.

 

Клеточные органеллы — видео

Это интересно:

Ответ §5. Строение клетки. Ткани

1) Рассмотрите рисунок, подпишите основные органоиды клетки. Зелёным цветом отметьте органоиды, имеющие зелёную окраску.

 

  • Ответ:

     

 

2) Заполните таблицу.

 

  • Ответ:

     

    Строение клетки

     

    Органоид

    Значение в клетке

    Ядро

    Хранение наследственной информации

    Цитоплазма

    Связь между органоидами

    Мембрана

    Защита клетки

    Вакуоль

    Хранение продуктов обмена

    Хлоропласты

    фотосинтез

         

 

3) Укажите черты сходства и различия в строении растительных и животных клеток.

 

  • Ответ:

    Клетка

    Сходство

    Различие

    Животная

    Имеют цитоплазму и ядро

    Животная клетка не имеет больших вакуолей, не способна к фотосинтезу ( отсутствуют хлоропласты), а так же не имеет клеточной стенки

    Растительная

     

    Имеет большие вакуоли, клеточную стенку и хлоропласты

 

4) Заполните таблицу.

 

  • Ответ:

                                                                            Ткани животных

     

     

    Ткань

    Особенности строения

    Значение

    эпителиальная

    Почти не имеет межклеточного вещества

    Защищает внутренние органы, предохраняет организм от различных повреждений и проникновения ненужных и чужеродных веществ внутрь

    нервная

    Состоит из нейронов

    Проводит нервные импульсы

    соединительная

    Имеет много межклеточного вещества

    Образует кости, хрящи, которые выполняют в организме немаловажные функции

    мышечная

    Способность сокращаться, некоторые виды тканей содержат многоядерные клетки

    Образуют мышцы тела, которые участвуют в движении

             

 

5) Заполните таблицу.

 

  

Ответ:

 

Ткани растений

 

Ткань

Особенности строения

Значение

образовательная

Мелкие клетки с крупными ядрами без вакуолей

Отвечает за  рост растений

основные

Основная ткань, находящаяся в листьях содержит хлорофилл

Запасающая, фотосинтезирующая

покровная

Клетки плотно соприкасаются друг с другом, имеют плотные оболочки

защита

проводящая

Клетки напоминают сосуды и трубы

 Осуществляет перемещение питательных веществ по растению

механическая

Мертвые клетки с уплощенными и одревесневевшими оболочками

опора

 

6) Выполните задание 1 лабораторной работы 2 «Знакомство с клетками растений»

 а) Зарисуйте клетки кожицы лука, которые вы увидели под микроскопом. Укажите увеличение, при котором вы рассматривали микропрепарат.

 

  • Ответ:

     

 

б) Укажите, в чем отличие внешнего вида клеток кожицы лука малом увеличении микроскопа от их внешнего вида при большом увеличении.

 

 

в) Укажите тип растительной ткани, к которой принадлежит кожица лука. Обоснуйте свой ответ.

 

 

сОбъясните, зачем нужны предметные и покровные стёкла.

 

  • Ответ: На предметное стекло кладут препарат, покровным стеклом его фиксируют, чтобы избежать смещение препарата.


Инженерные органоиды | Материалы Nature Reviews

  • 1.

    Фатехулла, А., Тан, С. Х. и Баркер, Н. Органоиды как модель развития человека и болезней in vitro. Nat. Cell Biol. 18 , 246–254 (2016).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 2.

    Клеверс, Х. Моделирование развития и болезней с помощью органоидов. Cell 165 , 1586–1597 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 3.

    Росси Г., Манфрин А. и Лутольф М. П. Прогресс и потенциал исследований органоидов. Nat. Преподобный Жене. 19 , 671–687 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 4.

    Ланкастер, М. А. и Кноблич, Дж. А. Органогенез в чашке: моделирование развития и заболевания с использованием органоидных технологий. Наука 345 , 1247125 (2014).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 5.

    Ланкастер, М. А. и Хуч, М. Моделирование заболеваний органоидов человека. Дис. Модель. Мех. 12 , dmm039347 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 6.

    Ким, Дж., Ку, Б. К. и Кноблич, Дж. А. Органоиды человека: модельные системы для биологии и медицины человека. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 21 , 571–584 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 7.

    МакКоли, Х.А. и Уэллс, Дж. М. Органоиды, полученные из плюрипотентных стволовых клеток: использование принципов биологии развития для выращивания тканей человека в чашке. Развитие 144 , 958–962 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 8.

    Ootani, A. et al. Устойчивая культура кишечного эпителия in vitro в нише Wnt-зависимых стволовых клеток. Nat. Med. 15 , 701–706 (2009).

    CAS Статья Google Scholar

  • 9.

    Sato, T. et al. Одиночные стволовые клетки Lgr5 строят структуры крипта-ворсинки in vitro без мезенхимальной ниши. Природа 459 , 262–265 (2009). Это новаторское исследование описывает выделение кишечных стволовых клеток и показало, что в 3D-культуре эти стволовые клетки могут самоорганизовываться в эпителий с архитектурой крипта-ворсинки, включающей ключевые типы клеток нативной ткани .

    CAS Статья Google Scholar

  • 10.

    Sato, T. et al. Длительное распространение эпителиальных органоидов из толстой кишки, аденомы, аденокарциномы и эпителия Барретта человека. Гастроэнтерология 141 , 1762–1772 (2011). Это исследование демонстрирует первое поколение органоидов тонкой и толстой кишки из тканей взрослого человека .

    CAS Статья Google Scholar

  • 11.

    Jung, P. et al. Выделение и размножение стволовых клеток толстой кишки человека in vitro. Nat. Med. 17 , 1225–1227 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 12.

    Spence, J. R. et al. Направленная дифференцировка плюрипотентных стволовых клеток человека в ткань кишечника in vitro. Природа 470 , 105–110 (2011). Эта работа предоставляет первый метод для эффективного управления дифференцировкой плюрипотентных стволовых клеток человека в трехмерную ткань кишечника с рисунком in vitro .

    Артикул CAS Google Scholar

  • 13.

    Workman, M. J. et al. Сконструированы кишечные ткани, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, с функциональной кишечной нервной системой. Nat. Med. 23 , 49–59 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 14.

    Tsai, Y.H. et al. Формирование паттерна кишечника, полученного из плюрипотентных стволовых клеток, in vitro повторяет развитие человека in vivo. Девелопмент 144 , 1045–1055 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 15.

    Баркер Н. и др. Стволовые клетки Lgr5 + ve стимулируют самообновление в желудке и создают долгоживущие желудочные единицы in vitro. Cell Stem Cell 6 , 25–36 (2010).

    CAS Статья Google Scholar

  • 16.

    Штанге, Д.E. et al. Дифференцированные Troy + главные клетки действуют как резервные стволовые клетки, генерируя все клоны эпителия желудка. Cell 155 , 357–368 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 17.

    Bartfeld, S. et al. Экспансия in vitro эпителиальных стволовых клеток желудка человека и их ответы на бактериальную инфекцию. Гастроэнтерология 148 , 126–136.e6 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 18.

    Bertaux-Skeirik, N. et al. CD44 играет функциональную роль в пролиферации эпителиальных клеток, индуцированной Helicobacter pylori . PLoS Pathog. 11 , e1004663 (2015).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 19.

    McCracken, K. W. et al. Моделирование человеческого развития и болезней в органоидах желудка, полученных из плюрипотентных стволовых клеток. Природа 516 , 400–404 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 20.

    Noguchi, T. A. K. et al. Создание ткани желудка из эмбриональных стволовых клеток мыши. Nat. Cell Biol. 17 , 984–993 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 21.

    McCracken, K. W. et al. Wnt / β-катенин способствует спецификации дна желудка у мышей и людей. Природа 541 , 182–187 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 22.

    Taguchi, A. et al. Новое определение происхождения метанефрических предшественников нефронов in vivo позволяет создавать сложные структуры почек из плюрипотентных стволовых клеток. Cell Stem Cell 14 , 53–67 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 23.

    Takasato, M. et al. Направление дифференцировки человеческих эмбриональных стволовых клеток в почечную линию приводит к самоорганизующейся почке. Nat. Cell Biol. 16 , 118–126 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 24.

    Takasato, M. et al. Органоиды почек из iPS-клеток человека содержат множество клонов и моделируют нефрогенез человека. Природа 526 , 564–568 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 25.

    Тагучи А. и Нишинакамура Р. Органогенез почек высшего порядка из плюрипотентных стволовых клеток. Cell Stem Cell 21 , 730–746.e6 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 26.

    Morizane, R. et al. Органоиды нефрона, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, моделируют развитие и повреждение почек. Nat. Biotechnol. 33 , 1193–1200 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 27.

    Freedman, B.S. et al. Моделирование заболевания почек с помощью CRISPR-мутантных почечных органоидов, полученных из плюрипотентных сфероидов эпибласта человека. Nat. Commun. 6 , 8715 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 28.

    Huch, M. et al. In vitro экспансия единичных стволовых клеток печени Lgr5 + , индуцированная регенерацией, управляемой Wnt. Природа 494 , 247–250 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 29.

    Huch, M. et al. Долгосрочная культура геном-стабильных бипотентных стволовых клеток печени взрослого человека. Cell 160 , 299–312 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 30.

    Hu, H. et al. Долгосрочное расширение функциональных гепатоцитов мыши и человека в виде трехмерных органоидов. Cell 175 , 1591–1606.e19 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 31.

    Peng, W. C. et al. Воспалительный цитокин TNFα способствует долгосрочному размножению первичных гепатоцитов в 3D-культуре. Ячейка 175 , 1607–1619.e15 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 32.

    Sampaziotis, F. et al. Реконструкция внепеченочного билиарного дерева мыши с использованием органоидов первичных внепеченочных холангиоцитов человека. Nat. Med. 23 , 954–963 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 33.

    Takebe, T. et al. Васкуляризация и функциональная печень человека после трансплантации зачатка органа, полученного из ИПСК. Природа 499 , 481–484 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 34.

    Camp, J. G. et al. Многолинейная коммуникация регулирует развитие зачатка печени человека за счет плюрипотентности. Природа 546 , 533–538 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 35.

    Ang, L. T. et al. Дорожная карта для дифференциации печени человека от плюрипотентных стволовых клеток. Cell Rep. 22 , 2190–2205 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 36.

    Takebe, T. et al. Массивное и воспроизводимое производство зачатков печени полностью из плюрипотентных стволовых клеток человека. Cell Rep. 21 , 2661–2670 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 37.

    Sampaziotis, F. et al. Холангиоциты, полученные из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, для моделирования заболеваний и валидации лекарств. Nat. Biotechnol. 33 , 845–852 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 38.

    Огава, М.и другие. Направленная дифференцировка холангиоцитов из плюрипотентных стволовых клеток человека. Nat. Biotechnol. 33 , 853–861 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 39.

    Huch, M. et al. Неограниченное распространение in vitro биопотентных предшественников поджелудочной железы у взрослых через ось Lgr5 / R-спондина. EMBO J. 32 , 2708–2721 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 40.

    Greggio, C. et al. Искусственные трехмерные ниши разрушают развитие поджелудочной железы in vitro. Развитие 140 , 4452–4462 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 41.

    Boj, S. F. et al. Органоидные модели протокового рака поджелудочной железы человека и мыши. Cell 160 , 324–338 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 42.

    Huang, L. et al. Моделирование протокового рака поджелудочной железы и скрининг лекарств с использованием опухолевых органоидов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека и пациентов. Nat. Med. 21 , 1364–1371 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 43.

    Hohwieler, M. et al. Ацинарные / протоковые органоиды, происходящие из плюрипотентных стволовых клеток, образуют поджелудочную железу человека при ортотопической трансплантации и позволяют моделировать заболевание. Кишечник 66 , 473–486 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 44.

    Linnemann, J. R. et al. Количественная оценка регенеративного потенциала первичных эпителиальных клеток молочной железы человека. Разработка 142 , 3239–3251 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 45.

    Jardé, T. et al. Передача сигналов Wnt и Neuregulin1 / ErbB расширяет трехмерную культуру гормонально-зависимых органоидов молочных желез. Nat. Commun. 7 , 13207 (2016).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 46.

    Zhang, L. et al. Создание эстроген-чувствительных органоидов молочной железы мышей из отдельных клеток Lgr5 + . Ячейка. Сигнал. 29 , 41–51 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 47.

    Джеймисон, П. Р. и др. Создание надежной органоидной системы молочной железы мышей для изучения динамики тканей. Девелопмент 144 , 1065–1071 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 48.

    Xin, L., Lukacs, R.U., Lawson, D. A., Cheng, D. & Witte, O. N. Самообновление и многолинейная дифференцировка in vitro из стволовых клеток простаты мыши. стволовые клетки 25 , 2760–2769 (2007).

    CAS Статья Google Scholar

  • 49.

    Karthaus, W. R. et al. Идентификация мультипотентных клеток-предшественников просвета в культурах органоидов предстательной железы человека. Cell 159 , 163–175 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 50.

    Höfner, T. et al. Определены условия для выделения и размножения базальных клеток-предшественников простаты мыши и человека. Stem Cell Rep. 4 , 503–518 (2015).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 51.

    Drost, J. et al. Системы органоидов для эпителиальной и раковой ткани простаты. Nat. Protoc. 11 , 347–358 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 52.

    Tadokoro, T. et al. IL-6 / STAT3 способствует регенерации реснитчатых клеток дыхательных путей из базальных стволовых клеток. Proc. Natl Acad. Sci. США 111 , 3641–3649 (2014).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 53.

    Jain, R. et al. Пластичность альвеолярных клеток типа I Hopx + для регенерации клеток типа II в легких. Nat. Commun. 6 , 6727 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 54.

    Николич, М. З. и др. Кончики эпителия легких эмбриона человека являются мультипотентными предшественниками, которые могут быть размножены in vitro в виде длительно самообновляющихся органоидов. eLife 6 , e26575 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 55.

    Sachs, N. et al. Органоиды дыхательных путей человека с долгосрочным расширением для моделирования заболеваний. EMBO J. 38 , e100300 (2019).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 56.

    Wong, A. P. et al. Направленная дифференцировка плюрипотентных стволовых клеток человека в зрелый эпителий дыхательных путей, экспрессирующий функциональный белок CFTR. Nat. Biotechnol. 30 , 876–882 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 57.

    Dye, B. R. et al. Получение in vitro органоидов легких, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека. eLife 4 , e05098 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 58.

    Dye, B. R. et al. Биоинженерная ниша способствует приживлению in vivo и созреванию органоидов легких человека, полученных из плюрипотентных стволовых клеток. eLife 5 , e19732 (2016).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 59.

    Chen, Y.-W. и другие. Трехмерная модель развития легких человека и заболевания на основе плюрипотентных стволовых клеток. Nat. Cell Biol. 19 , 542–549 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 60.

    Antonica, F. et al. Создание функциональной щитовидной железы из эмбриональных стволовых клеток. Природа 491 , 66–71 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 61.

    Курманн А.А. и др. Восстановление функции щитовидной железы путем трансплантации дифференцированных плюрипотентных стволовых клеток. Cell Stem Cell 17 , 527–542 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 62.

    Eiraku, M. et al. Самоорганизующийся морфогенез глазного яблока в трехмерной культуре. Природа 472 , 51–58 (2011). Это новаторское исследование описывает генерацию эпителия сетчатки, происходящего из эмбриональных стволовых клеток, который самопроизвольно формируется в нервной сетчатке и доменах пигментного эпителия .

    CAS Статья Google Scholar

  • 63.

    Nakano, T. et al. Самообразование глазных бокалов и хранимой стратифицированной нервной сетчатки из человеческих ESCs. Cell Stem Cell 10 , 771–785 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 64.

    Phillips, M. J. et al. Полученные из крови iPS-клетки человека генерируют структуры, похожие на зрительные пузырьки, способные формировать сетчатку и развивать синапсы. Расследование. Офтальмол. Vis. Sci. 53 , 2007–2019 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 65.

    Reichman, S. et al. От сливающихся iPS-клеток человека до самоформирующихся нервных клеток сетчатки и пигментированного эпителия сетчатки. Proc. Natl Acad. Sci. США 111 , 8518–8523 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 66.

    Zhong, X. et al. Создание трехмерной ткани сетчатки с функциональными фоторецепторами из ИПСК человека. Nat. Commun. 5 , 4047 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 67.

    Völkner, M. et al.Органоиды сетчатки из плюрипотентных стволовых клеток эффективно воспроизводят ретиногенез. Stem Cell Rep. 6 , 525–538 (2016).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 68.

    Capowski, E. E. et al. Воспроизводимость и стадирование трехмерных органоидов сетчатки человека в нескольких линиях плюрипотентных стволовых клеток. Разработка 146 , dev171686 (2019).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 69.

    Lancaster, M.A. et al. Церебральные органоиды моделируют развитие человеческого мозга и микроцефалию. Природа 501 , 373–379 (2013). Эта работа представляет собой первое сообщение о генерации церебральных органоидов из плюрипотентных стволовых клеток человека .

    CAS Статья Google Scholar

  • 70.

    Camp, J. G. et al. Органоиды головного мозга человека повторяют программы экспрессии генов развития неокортекса плода. Proc. Natl Acad. Sci. США 112 , 15672–15677 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 71.

    Бэгли, Дж. А., Ройманн, Д., Биан, С., Леви-Стросс, Дж. И Кноблих, Дж. А. Слитные церебральные органоиды моделируют взаимодействия между областями мозга. Nat. Методы 14 , 743–751 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 72.

    Birey, F. et al. Сборка функционально интегрированных сфероидов переднего мозга человека. Природа 545 , 54–59 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 73.

    Xiang, Y. et al. Слияние органоидов, происходящих из локально определенных hPSC, моделирует развитие человеческого мозга и миграцию интернейронов. Cell Stem Cell 21 , 383–398.e7 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 74.

    Kadoshima, T. et al. Самоорганизация осевой полярности, структуры вывернутого слоя и видоспецифической динамики предшественников в неокортексе, происходящем из ES-клеток человека. Proc. Natl Acad. Sci. США 110 , 20284–20289 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 75.

    Mariani, J. et al. FOXG1-зависимая дисрегуляция дифференцировки ГАМК / глутаматных нейронов при расстройствах аутистического спектра. Cell 162 , 375–390 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 76.

    Sakaguchi, H. et al. Генерация функциональных нейронов гиппокампа из самоорганизующихся человеческих эмбриональных стволовых клеток, полученных из дорсомедиальной телэнцефальной ткани. Nat. Commun. 6 , 8896 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 77.

    Pas˛ca, A. M. et al. Функциональные нейроны коры и астроциты из плюрипотентных стволовых клеток человека в 3D-культуре. Nat. Методы 12 , 671–678 (2015).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 78.

    Qian, X. et al. Органоиды, специфичные для области мозга, с использованием мини-биореакторов для моделирования воздействия ZIKV. Cell 165 , 1238–1254 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 79.

    Jo, J. et al. Органоиды, подобные среднему мозгу, из плюрипотентных стволовых клеток человека содержат функциональные дофаминергические и нейромеланин-продуцирующие нейроны. Cell Stem Cell 19 , 248–257 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 80.

    Мугурума К., Нишияма А., Каваками Х., Хашимото К. и Сасай Ю. Самоорганизация поляризованной ткани мозжечка в трехмерной культуре плюрипотентных стволовых клеток человека. Cell Rep. 10 , 537–550 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 81.

    Qian, X. et al. Генерация органоидов, специфичных для области человеческого мозга, с использованием миниатюрного вращающегося биореактора. Nat. Protoc. 13 , 565–580 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 82.

    Уотсон, Л. М., Вонг, М. М. К., Ваулс, Дж., Коули, С. А. и Беккер, Э. Б. Е. Упрощенный способ получения клеток Пуркинье из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток. Мозжечок 17 , 419–427 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 83.

    Eiraku, M. et al. Самоорганизованное образование поляризованных корковых тканей из ЭСК и его активное манипулирование внешними сигналами. Cell Stem Cell 3 , 519–532 (2008).

    CAS Статья Google Scholar

  • 84.

    Zachos, N.C. et al. Энтероиды / колоноиды человека и органоиды кишечника функционально повторяют нормальную физиологию и патофизиологию кишечника. J. Biol. Chem. 291 , 3759–3766 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 85.

    Ди Лулло, Э. и Кригштейн, А. Р. Использование органоидов головного мозга для исследования нервного развития и заболеваний. Nat. Rev. Neurosci. 18 , 573–584 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 86.

    Цянь Х., Сун Х.& Мин, Г. Л. Органоиды мозга: достижения, применения и проблемы. Разработка 146 , dev166074 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 87.

    Smits, L. M. et al. Моделирование болезни Паркинсона в органоидах, подобных среднему мозгу. NPJ Parkinsons Dis. 5 , 5 (2019).

    Артикул Google Scholar

  • 88.

    Monzel, A.S. et al. Получение органоидов среднего мозга человека из нейроэпителиальных стволовых клеток. Stem Cell Rep. 8 , 1144–1154 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 89.

    Assawachananont, J. et al. Трансплантация трехмерных пластин сетчатки, полученных из эмбриональных и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, мышам с дегенеративной дегенерацией сетчатки. Stem Cell Rep. 2 , 662–674 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 90.

    Рашиди, Х. и др. Трехмерная ткань печени человека из плюрипотентных стволовых клеток демонстрирует стабильный фенотип in vitro и поддерживает нарушенную функцию печени in vivo. Arch. Toxicol. 92 , 3117–3129 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 91.

    Blackford, S.J. I. et al. Подтверждение действующей надлежащей производственной практики гепатоцитов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека, для клеточной терапии. Stem Cell Пер. Med. 8 , 124–137 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 92.

    Лу Д. и Кассаб Г. С. Роль напряжения сдвига и растяжения в сосудистой механобиологии. J. R. Soc. Интерфейс 8 , 1379–1385 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 93.

    Abraham, G. et al. Рост и дифференцировка первичных и пассированных эпителиальных клеток бронхов лошадей в обычных условиях культивирования и на границе раздела воздух-жидкость. BMC Vet. Res. 7 , 26 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 94.

    Park, J. S. et al. Влияние жесткости матрикса на дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток в ответ на TGF-β. Биоматериалы 32 , 3921–3930 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 95.

    Park, S.E., Georgescu, A. & Huh, D.Органоиды на чипе. Наука 364 , 960–965 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 96.

    Velasco, S. et al. Отдельные органоиды головного мозга воспроизводимо образуют клеточное разнообразие коры головного мозга человека. Nature 570 , 523–527 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 97.

    Ким, Г. А., Гинга, Н.Дж. И Такаяма, С. Интеграция сенсоров в культуру органоидов желудочно-кишечного тракта для биологического анализа. Ячейка. Мол. Гастроэнтерол. Гепатол. 6 , 123–131.e1 (2018).

    Артикул Google Scholar

  • 98.

    Collins, S.D. et al. in Гепатоцеллюлярная карцинома Ch. 3 (ред. Тирниц-Паркер, Дж. Э. Э.) 47–67 (Codon Publications, 2019).

  • 99.

    Брассард, Дж. А. и Лутольф, М. П.Разработка самоорганизации стволовых клеток для создания лучших органоидов. Cell Stem Cell 24 , 860–876 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 100.

    Fujimichi, Y., Otsuka, K., Tomita, M. & Iwasaki, T. Эффективная кишечная органоидная система прямой сортировки для оценки конкуренции стволовых клеток in vitro. Sci. Отчетность 9 , 20297 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 101.

    Амарал, А. Дж. Р. и Паспаракис, Г. Конструирование клеточных мембран с использованием синтетических материалов: применение в сфероидах клеток, клеточных клеях и формировании микротканей. Acta Biomater. 90 , 21–36 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 102.

    Рогожников, Д., О’Брайен, П. Дж., Элахипана, С. и Юсуф, М. Н. Биоортогональная сборка без каркаса трехмерной сердечной ткани с помощью инженерии клеточной поверхности. Sci. Отчет 6 , 39806 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 103.

    О’Брайен, П. Дж., Луо, В., Рогожников, Д., Чен, Дж. И Юсаф, М. Н. Сборка сфероидов и тканей с помощью химии щелчков в микрожидкостном потоке. Биоконъюг. Chem. 26 , 1939–1949 (2015).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 104.

    Луо, W., Pulsipher, A., Dutta, D., Lamb, B. M. и Yousaf, M. N. Дистанционное управление тканевыми взаимодействиями с помощью сконструированных фото-переключаемых поверхностей клеток. Sci. Отчет 4 , 6313 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 105.

    Akbari, E. et al. Разработка функции поверхности клетки с помощью ДНК-оригами. Adv. Матер. 29 , 1703632 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 106.

    Fayol, D. et al. Использование магнитных сил для стимулирования агрегации стволовых клеток во время дифференцировки и моделирования хрящевой ткани. Adv. Матер. 25 , 2611–2616 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 107.

    Ся, П. Ф., Линг, Х., Фу, Дж. Л. и Чанг, М. В. Синтетические генетические схемы для программируемых биологических функций. Biotechnol. Adv. 37 , 107393 (2019).

    Артикул Google Scholar

  • 108.

    Башор, К. Дж. И Коллинз, Дж. Дж. Понимание биологической регуляции посредством синтетической биологии. Annu. Rev. Biophys. 47 , 399–423 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 109.

    Чжан Ф. Разработка систем CRISPR-Cas для редактирования генома и не только. Q. Rev. Biophys. 52 , e6 (2019).

    Артикул Google Scholar

  • 110.

    Velazquez, J. J. et al. Анализ и инженерия генной регуляторной сети направляют развитие и васкуляризацию мультиконтрастных органоидов печени человека. Cell Syst. 12 , 41–55 (2020).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 111.

    Roper, J. & Yilmaz, Ö. H. Моменты прорыва: редактирование генома и органоиды. Cell Stem Cell 24 , 841–842 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 112.

    Schwank, G. et al. Функциональная репарация CFTR с помощью CRISPR / Cas9 в органоидах кишечных стволовых клеток пациентов с муковисцидозом. Cell Stem Cell 13 , 653–658 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 113.

    Deng, W. L.и другие. Генная коррекция обращает вспять цилиопатию и потерю фоторецепторов в органоидах сетчатки, полученных из ИПСК, у пациентов с пигментным ретинитом. Stem Cell Rep. 10 , 1267–1281 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 114.

    Matano, M. et al. Моделирование колоректального рака с использованием CRISPR-Cas9-опосредованной инженерии органоидов кишечника человека. Nat. Med. 21 , 256–262 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 115.

    Drost, J. et al. Последовательные мутации рака в культивируемых стволовых клетках кишечника человека. Природа 521 , 43–47 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 116.

    Li, X. et al. Онкогенная трансформация различных тканей желудочно-кишечного тракта в первичной культуре органоидов. Nat. Med. 20 , 769–777 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 117.

    Секин Р., Шибата Т. и Эбисуя М. Формирование синтетического паттерна млекопитающих за счет дифференциальной диффузии Nodal и Lefty. Nat. Commun. 9 , 5456 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 118.

    Guye, P. et al. Генетическая инженерия самоорганизации плюрипотентных стволовых клеток человека в ткань, подобную почке печени, с использованием Gata6. Nat. Commun. 7 , 10243 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 119.

    Кунче, С., Ян, Х., Калоф, А. Л., Ловенгруб, Дж. С. и Ландер, А. Д. Обратная связь, клоны и самоорганизующийся морфогенез. PLoS Comput. Биол. 12 , e1004814 (2016).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 120.

    Morsut, L. et al. Разработка индивидуализированного восприятия клеток и поведения реакции с использованием синтетических рецепторов notch. Cell 164 , 780–791 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 121.

    Тода, С., Блауч, Л. Р., Танг, С. К. Ю., Морсут, Л. и Лим, В. А. Программирование самоорганизующихся многоклеточных структур с синтетической передачей сигналов между клетками. Наука 361 , 156–162 (2018). Это исследование сообщает о создании самоорганизующихся структур с использованием чисто синтетического биологического подхода .

    CAS Google Scholar

  • 122.

    Хартманн, Дж., Крюгер, Д. и Де Ренцис, С. Использование оптогенетики для решения вопросов системного уровня морфогенеза многоклеточных. Curr. Opin. Cell Biol. 66 , 19–27 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 123.

    Бейтман, Дж. Ф., Бут-Хэндфорд, Р. П. и Ламанде, С. Р. Генетические заболевания соединительной ткани: клеточные и внеклеточные эффекты мутаций ЕСМ. Nat. Преподобный Жене. 10 , 173–183 (2009).

    CAS Статья Google Scholar

  • 124.

    Кокс, Т. Р. и Эрлер, Дж. Т. Ремоделирование и гомеостаз внеклеточного матрикса: последствия для фиброзных заболеваний и рака. Дис. Модель. Мех. 4 , 165–178 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 125.

    Клейнман, Х.К. и Мартин, Г. Р. Матригель: матрица базальной мембраны с биологической активностью. Семин. Cancer Biol. 15 , 378–386 (2005).

    CAS Статья Google Scholar

  • 126.

    Эйзенбрей Э. А. и Мерфи У. Л. Синтетические альтернативы матригелю. Nat. Rev. Mater. 5 , 539–551 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 127.

    Kratochvil, M. J. et al. Технические материалы для органоидных систем. Nat. Rev. Mater. 4 , 606–622 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 128.

    Broguiere, N. et al. Рост эпителиальных органоидов в определенном гидрогеле. Adv. Матер. 30 , 1801621 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 129.

    Jabaji, Z. et al. Коллаген I типа как внеклеточный матрикс для роста эпителия тонкой кишки человека in vitro. PLoS ONE 9 , e107814 (2014).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 130.

    Lindborg, B.A. et al. Быстрая индукция церебральных органоидов из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток с использованием химически определенного гидрогеля и определенной среды для культивирования клеток. Stem Cell Пер.Med. 5 , 970–979 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 131.

    Gjorevski, N. et al. Дизайнерские матрицы для кишечных стволовых клеток и органоидов. Природа 539 , 560–564 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 132.

    Cruz-Acuña, R. et al. Синтетические гидрогели для образования органоидов кишечника человека и заживления ран толстой кишки. Nat. Cell Biol. 19 , 1326–1335 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 133.

    Ranga, A. et al. Трехмерные нишевые микрочипы для анализа судьбы клеток на системном уровне. Nat. Commun. 5 , 4324 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 134.

    Энглер, А. Дж., Сен, С., Суини, Х. Л. и Дишер, Д. Э.Эластичность матрицы определяет спецификацию клонов стволовых клеток. Cell 126 , 677–689 (2006).

    CAS Статья Google Scholar

  • 135.

    Чаудхури, О., Купер-Уайт, Дж., Джанми, П. А., Муни, Д. Дж. И Шеной, В. Б. Влияние вязкоупругости внеклеточного матрикса на поведение клеток. Природа 584 , 535–546 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 136.

    Чаудхури О. и др. Гидрогели с настраиваемой релаксацией стресса регулируют судьбу и активность стволовых клеток. Nat. Матер. 15 , 326–334 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 137.

    Nelson, C. M., VanDuijn, M. M., Inman, J. L., Fletcher, D. A. & Bissell, M. J. Геометрия ткани определяет участки морфогенеза ветвления молочных желез в органотипических культурах. Наука 314 , 298–300 (2006).

    CAS Статья Google Scholar

  • 138.

    Wang, Y. et al. Микроинженерный коллагеновый каркас для создания поляризованной крипто-ворсинчатой ​​архитектуры эпителия тонкого кишечника человека. Биоматериалы 128 , 44–55 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 139.

    Николаев М. и др. Гомеостатический мини-кишечник через морфогенез органоидов, управляемый каркасом. Природа 585 , 574–578 (2020). В этой работе сообщается об контролируемой генерации долгоживущих кишечных органоидов с использованием каркасов с заданной геометрией .

    Артикул CAS Google Scholar

  • 140.

    Lancaster, M. A. et al. Управляемая самоорганизация и формирование корковой пластинки органоидов головного мозга человека. Nat. Biotechnol. 35 , 659–666 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 141.

    Карзбрун, Э., Кширсагар, А., Коэн, С. Р., Ханна, Дж. Х. и Райнер, О. Органоиды человеческого мозга на чипе раскрывают физику складчатости. Nat. Phys. 14 , 515–522 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 142.

    Клоксин, А. М., Каско, А. М., Салинас, К. Н. и Ансет, К. С. Фоторазлагаемые гидрогели для динамической настройки физических и химических свойств. Наука 324 , 59–63 (2009).

    CAS Статья Google Scholar

  • 143.

    Mosiewicz, K. A. et al. Манипуляции с клетками in situ с помощью ферментативного фотонного моделирования гидрогеля. Nat. Матер. 12 , 1072–1078 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 144.

    Ruskowitz, E. R. & Deforest, C. A. Фотореактивные биоматериалы для адресной доставки лекарств и культуры клеток 4D. Nat. Rev. Mater. 3 , 17087 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 145.

    Attayek, P.J. et al. In vitro поляризация колоноидов для создания компартмента стволовых клеток кишечника. PLoS ONE 11 , e153795 (2016).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 146.

    Табата Ю. и Лутольф М.P. Мультимасштабное нарушение судьбы и самоорганизации плюрипотентных стволовых клеток в микросреде. Sci. Отчет 7 , 44711 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 147.

    Demers, C.J. et al. Разработка на чипе: формирование паттерна нервной трубки in vitro с помощью микрофлюидного устройства. Развитие 143 , 1884–1892 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 148.

    Manfrin, A. et al. Спроектированные сигнальные центры для пространственно контролируемого формирования паттерна плюрипотентных стволовых клеток человека. Nat. Методы 16 , 640–648 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 149.

    Cederquist, G. Y. et al. Спецификация позиционной идентичности органоидов переднего мозга. Nat. Biotechnol. 37 , 436–444 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 150.

    Wylie, R.G. et al. Пространственно контролируемое одновременное формирование множества факторов роста в трехмерных гидрогелях. Nat. Матер. 10 , 799–806 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 151.

    Battista, S. et al. Влияние матричного состава 3D-конструкций на дифференцировку эмбриональных стволовых клеток. Биоматериалы 26 , 6194–6207 (2005).

    CAS Статья Google Scholar

  • 152.

    Teller, I.C. et al. Ламинины в тонком кишечнике развивающегося и взрослого человека: связь с функциональной абсорбционной единицей. Dev. Дин. 236 , 1980–1990 (2007).

    CAS Статья Google Scholar

  • 153.

    Groulx, J. F. et al. Коллаген VI является компонентом базальной мембраны, который регулирует взаимодействия эпителиальных клеток с фибронектином. Matrix Biol. 30 , 195–206 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 154.

    Бенуа, Й. Д., Граул, Ж.-Ф., Ганье, Д., Больё, Ж.-Ф. RGD-зависимые взаимодействия эпителиальных клеток и матрикса в кишечном крипте человека. J. Преобразование сигналов. 2012 , 248759 (2012).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 155.

    Broguiere, N. et al. Морфогенез определяется трехмерным паттерном факторов роста в биологических матрицах. Adv. Матер. 32 , 1

    9 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 156.

    Torgersen, J. et al. Гидрогели для двухфотонной полимеризации: набор инструментов для имитации внеклеточного матрикса. Adv. Функц. Матер. 23 , 4542–4554 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 157.

    Прадхан, С., Келлер, К. А., Спердуто, Дж. Л. и Слейтер, Дж. Х. Основы лазерной деградации гидрогелей и их применение в клеточной и тканевой инженерии. Adv. Здоровьеc. Матер. 6 , 1700681 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 158.

    Маммото Т. и Ингбер Д. Э. Механический контроль развития тканей и органов. Развитие 137 , 1407–1420 (2010).

    CAS Статья Google Scholar

  • 159.

    Вианелло С. и Лутольф М. П. Понимание механобиологии раннего развития млекопитающих с помощью биоинженерных моделей. Dev. Ячейка 48 , 751–763 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 160.

    Heo, I. et al. Моделирование инфекции Cryptosporidium в органоидах тонкого кишечника и легких человека. Nat. Microbiol. 3 , 814–823 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 161.

    Leslie, J. L. et al. Стойкость и выработка токсинов Clostridium difficile в органоидах кишечника человека приводит к нарушению параклеточной барьерной функции эпителия. Заражение. Иммун. 83 , 138–145 (2015).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 162.

    Schumacher, M. A. et al. Использование фундальных органоидов мышиного происхождения в исследованиях физиологии желудка. J. Physiol. 593 , 1809–1827 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 163.

    Co, J. Y. et al. Контроль полярности эпителия: человеческая энтероидная модель взаимодействий хозяин-патоген. Cell Rep. 26 , 2509–2520.e4 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 164.

    Huh, D. et al. Восстановление функций легких на уровне органов на чипе. Наука 328 , 1662–1668 (2010). Эта новаторская работа описывает подход «орган на чипе» для имитации функций легких in vitro .

    CAS Статья Google Scholar

  • 165.

    Ким, Х. Дж., Ха, Д., Гамильтон, Г. и Ингбер, Д. Е. Человеческий кишечник на чипе, населенный микробной флорой, которая испытывает перистальтические движения и кровоток в кишечнике. Lab Chip 12 , 2165–2174 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 166.

    Musah, S. et al. Зрелые подоциты человека, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, восстанавливают на чипе функцию почечных клубочков-стенок капилляров. Nat.Биомед. Англ. 1 , 0069 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 167.

    Ахтар, А., Сансес, С., Барретт, Р. и Бреуниг, Дж. Дж. Органоидные системы и системы «орган на чипе»: новые парадигмы моделирования неврологических и желудочно-кишечных заболеваний. Curr. Stem Cell Rep. 3 , 98–111 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 168.

    Гейер, С. П. и Бассон, М. Д. Влияние механических сил на физиологию и патологию кишечника. Ячейка. Сигнал. 21 , 1237–1244 (2009).

    CAS Статья Google Scholar

  • 169.

    Lee, K. K. et al. Человеческий желудок на чипе с люминальным потоком и перистальтической подвижностью. Lab Chip 18 , 3079–3085 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 170.

    Homan, K. A. et al. Васкуляризация и созревание органоидов почек in vitro с усилением потока. Nat. Методы 16 , 255–262 (2019). Это исследование иллюстрирует применение потока жидкости к органоидам почек для повышения их уровня васкуляризации и созревания .

    CAS Статья Google Scholar

  • 171.

    Kasendra, M. et al. Разработка первичного тонкого кишечника человека на чипе с использованием органоидов, полученных из биопсии. Sci. Отчет 8 , 2871 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 172.

    Имура, Ю., Сато, К. и Йошимура, Э. Микро-общая система биоанализа для проглоченных веществ: оценка кишечной абсорбции, метаболизма в печени и биологической активности. Анал. Chem. 82 , 9983–9988 (2010).

    CAS Статья Google Scholar

  • 173.

    Миллер, П. Г. и Шулер, М. Л. Разработка и демонстрация безнасосной 14-секционной микрофизиологической системы. Biotechnol. Bioeng. 113 , 2213–2227 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 174.

    Jin, Y. et al. Васкуляризованные органоиды печени, полученные с использованием индуцированной ткани печени и динамической специфической для печени микросреды в качестве платформы для тестирования лекарственных средств. Adv. Функц. Матер. 28 , 1801954 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 175.

    Skardal, A. et al. Мульти-тканевые взаимодействия в интегрированной платформе «орган на чипе» из трех тканей. Sci. Отчет 7 , 8837 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 176.

    Garcez, P. P. et al. Вирус Зика: вирус Зика нарушает рост нейросфер человека и органоидов головного мозга. Наука 352 , 816–818 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 177.

    Dang, J. et al. Вирус Зика истощает нейральные предшественники в органоидах головного мозга человека за счет активации рецептора врожденного иммунитета TLR3. Cell Stem Cell 19 , 258–265 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 178.

    Gabriel, E. et al. Недавние изоляты вируса Зика вызывают преждевременную дифференцировку нейральных предшественников в органоидах головного мозга человека. Cell Stem Cell 20 , 397–406.e5 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 179.

    Huang, J. Y. et al. Химиодетекция и разрушение мочевины хозяина позволяет Helicobacter pylori определять местонахождение эпителия. Cell Host Microbe 18 , 147–156 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 180.

    Холокай, Л.и другие. Повышенный лиганд запрограммированной смерти 1 является ранним ответом эпителиальных клеток на инфекцию Helicobacter pylori . PLoS Pathog. 15 , e1007468 (2019).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 181.

    Burkitt, M. D., Duckworth, C. A., Williams, J. M. & Pritchard, D. M. Helicobacter pylori -индуцированная патология желудка: выводы из моделей in vivo и ex vivo. Дис. Модель.Мех. 10 , 89–104 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 182.

    Мехиас-Луке Р. и Герхард М. Стратегии уклонения от иммунитета и устойчивость Helicobacter pylori . Curr. Вершина. Microbiol. Иммунол. 400 , 53–71 (2017).

    Google Scholar

  • 183.

    Йе, В., Луо, К., Ли, К., Хуанг, Дж. И Лю, Ф.Органоиды для изучения иммунных функций, иммунологических заболеваний и иммунотерапии. Cancer Lett. 477 , 31–40 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 184.

    Roh, T. T., Chen, Y., Paul, H. T., Guo, C. & Kaplan, D. L. Трехмерная биоинженерная модель ткани толстой кишки для изучения воспалительного заболевания кишечника. Биоматериалы 225 , 119517 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 185.

    Czerniecki, S. M. et al. Высокопроизводительный скрининг улучшает дифференциацию органоидов почек от плюрипотентных стволовых клеток человека и обеспечивает автоматическое многомерное фенотипирование. Cell Stem Cell 22 , 929–940.e4 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 186.

    Brandenberg, N. et al. Высокопроизводительное автоматизированное культивирование органоидов посредством агрегации стволовых клеток в массивах микрополостей. Nat. Биомед.Англ. 4 , 863–874 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 187.

    Jin, B.J. et al. Платформа Microfluidics для измерения изменений объема иммобилизованных кишечных энтероидов. Биомикрофлюидикс 8 , 024106 (2014).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 188.

    Wang, Y. et al. Дифференциация in situ и создание функциональных органоидов печени из ИПСК человека в системе трехмерного перфузионного чипа. Lab Chip 18 , 3606–3616 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 189.

    Artegiani, B. et al. Быстрая и эффективная генерация инородных органоидов человека с использованием независимого от гомологии прецизионного редактирования генома CRISPR – Cas9. Nat. Cell Biol. 22 , 321–331 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 190.

    Сан Д., Эванс Л. Д. и Роулинз Е. Л. Органоид Easytag: эффективный рабочий процесс для нацеливания генов в органоидах человека. Препринт на bioRxiv 10.1101 / 2020.05.04.076067 (2020).

  • 191.

    Оккельман И. А., Фолей Т., Папковский Д. Б. и Дмитриев Р. И. Визуализация живых клеток органоидов кишечника мышей выявляет неоднородность их оксигенации. Биоматериалы 146 , 86–96 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 192.

    Muta, Y. et al. Комплексная регуляция динамики активности ERK, лежащая в основе опухолеспецифических признаков в кишечнике. Nat. Commun. 9 , 2174 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 193.

    Луконин И. и др. Фенотипический ландшафт регенерации органоидов кишечника. Природа 586 , 275–280 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 194.

    Адам Кратц, С. Р., Хёлль, Г., Шуллер, П., Эртл, П. и Ротбауэр, М. Последние тенденции в области биосенсоров для систем микрофизиологических органов на чипе и тела на чипе. Биосенсоры 9 , 110 (2019).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 195.

    Zhang, Y. S. et al. Интегрированная с мультисенсором платформа органов на чипах для автоматического и непрерывного мониторинга поведения органоидов на месте. Proc. Natl Acad.Sci. США 114 , E2293 – E2302 (2017). Эта работа описывает платформу мультиорганной микрофлюидики с автоматическим и непрерывным мониторингом культивируемых органоидов .

    CAS Статья Google Scholar

  • 196.

    Bavli, D. et al. Мониторинг метаболической функции в микросхеме печени в режиме реального времени отслеживает динамику митохондриальной дисфункции. Proc. Natl Acad. Sci. США 113 , E2231 – E2240 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 197.

    Мисун, П. М., Роте, Дж., Шмид, Ю. Р. Ф., Хирлеманн, А. и Фрей, О. Интерфейс мульти-аналитического биосенсора для мониторинга трехмерных сфероидов микротканей в сетях типа «висящая капля» в реальном времени. Микросист. Nanoeng. 2 , 16022 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 198.

    Велтин, А.и другие. Доступ к трехмерному метаболизму микротканей: мониторинг лактата и кислорода в сфероидах гепатоцитов. Биосенс. Биоэлектрон. 87 , 941–948 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 199.

    Таурино И. и др. Сенсоры калия на основе нанопеталей платины для мониторинга острой гибели клеток. RSC Adv. 6 , 40517–40526 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 200.

    Caluori, G. et al. Неинвазивные электромеханические биосенсоры на основе клеток для улучшенного исследования трехмерных моделей сердца. Биосенс. Биоэлектрон. 124–125 , 129–135 (2019).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 201.

    Shin, S. R. et al. Регенеративные электрохимические микрофлюидные биосенсоры без этикеток для непрерывного мониторинга клеточных секретов. Adv. Sci. 4 , 1600522 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 202.

    Liu, H. et al. Каплевая микрофлюидная система для изготовления гибридных капсул, обеспечивающих органоидную инженерию стволовых клеток. Adv. Sci. 7 , 19 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 203.

    Wang, Y. et al. Одностадийный синтез композитных гидрогелевых капсул для поддержки образования органоидов печени из hiPSCs. Biomater. Sci. 8 , 5476–5488 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 204.

    Laperrousaz, B. et al. Прямая трансфекция клональных органоидов в микрогранулах Matrigel: многообещающий подход к генетическому скринингу на основе органоидов. Nucleic Acids Res. 46 , e70 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 205.

    Долега, М. Е., Абей, Ф., Пиколле-Д’ахан, Н., Гидрол, X. Контролируемое 3D-культивирование в микрогранулках Matrigel для анализа развития клональных ацинаров. Биоматериалы 52 , 347–357 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 206.

    Sachs, N. et al. Живой биобанк органоидов рака груди фиксирует неоднородность заболевания. Ячейка 172 , 373–386.e10 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 207.

    Рид, Дж. А., Моллика, П. М., Бруно, Р. Д. и Сакс, П. С. Согласованные и воспроизводимые культуры крупномасштабных трехмерных эпителиальных структур молочной железы с использованием доступной платформы для биопечати. Breast Cancer Res. 20 , 122 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 208.

    Дейли А.С., Дэвидсон М.Д. и Бердик Дж.А. Трехмерная биопечать моделей гетерогенных тканей с высокой плотностью клеток посредством слияния сфероидов в самовосстанавливающихся гидрогелях. Nat. Commun. 12 , 753 (2021).

    CAS Статья Google Scholar

  • 209.

    Ayan, B. et al. Биопринтинг с помощью аспирации для точного позиционирования биопрепаратов. Sci. Adv. 6 , eaaw5111 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 210.

    Kim, T. Y. et al. Направленное слияние сердечных сфероидов с более крупными гетероклеточными микротканями позволяет исследовать распространение потенциала сердечного действия через сердечные фибробласты. PLoS ONE 13 , e01

    (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 211.

    Брассард, Дж. А., Николаев, М., Хюбшер, Т., Хофер, М. и Лутольф, М. П. Резюме макро-масштабной самоорганизации ткани с помощью биопечати органоидов. Nat. Матер. 20 , 22–29 (2021).

    CAS Статья Google Scholar

  • 212.

    Dekkers, J. F. et al. Функциональный анализ CFTR с использованием кишечных органоидов первичного муковисцидоза. Nat. Med. 19 , 939–945 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 213.

    Cora, V. et al. Четкое представление о органоидах сетчатки. Ячейки 8 , 391 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 214.

    Li, Y.и другие. Индукция расширения и складывания органоидов головного мозга человека. Cell Stem Cell 20 , 385–396.e3 (2017).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 215.

    Serra, D. et al. Нарушение самоорганизации и симметрии в развитии органоидов кишечника. Nature 569 , 66–72 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 216.

    Dekkers, J. F. et al. Трехмерное изображение фиксированных и очищенных органоидов в высоком разрешении. Nat. Protoc. 14 , 1756–1771 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 217.

    Choi, S.H. et al. Трехмерная модель культуры нервных клеток человека болезни Альцгеймера. Природа 515 , 274–278 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 218.

    Qin, X. et al. Сигнальные сети, специфичные для клеточного типа, в гетероклеточных органоидах. Nat. Методы 17 , 335–342 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 219.

    Kanton, S. et al. Органоидный одноклеточный геномный атлас раскрывает характерные для человека особенности развития мозга. Nature 574 , 418–422 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 220.

    Храмеева Э. и др. Транскриптомная карта мозга человека, шимпанзе, бонобо и макака с одноклеточным разрешением. Genome Res. 30 , 776–789 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 221.

    Райнвальд, Дж. Г. и Грин, Х. Серийное культивирование штаммов эпидермальных кератиноцитов человека в определенных клональных и бессывороточных культурах. J. Invest. Дерматол. 6 , 331–344 (1975).

    CAS Google Scholar

  • 222.

    Li, M. L. et al. Влияние восстановленной базальной мембраны и ее компонентов на экспрессию и секрецию гена казеина в эпителиальных клетках молочной железы мышей. Proc. Natl Acad. Sci. США 84 , 136–140 (1987).

    CAS Статья Google Scholar

  • 223.

    Клеверс, Х. и Ватт, Ф. М. Определение взрослых стволовых клеток по функциям, а не по фенотипу. Annu. Rev. Biochem. 87 , 1015–1027 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 224.

    Takebe, T., Zhang, B. и Radisic, M. Синергетическая инженерия: органоиды встречаются «органы на кристалле». Cell Stem Cell 21 , 297–300 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 225.

    Artegiani, B. et al. Исследование опухолевой супрессорной функции BAP1 в органоидах печени человека, созданных с помощью CRISPR. Cell Stem Cell 24 , 927–943.e6 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 226.

    Seino, T. et al. Органоиды опухоли поджелудочной железы человека обнаруживают потерю зависимости от фактора ниши стволовых клеток во время прогрессирования заболевания. Cell Stem Cell 22 , 454–467.e6 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 227.

    Деккерс, Дж.F. et al. Моделирование рака груди с использованием CRISPR-Cas9-опосредованной инженерии органоидов груди человека. J. Natl Cancer Inst. 112 , 540–544 (2020).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 228.

    Zhang, W. et al. Церебральные органоиды и мышиные модели обнаруживают зависимую от пути RAB39b – PI3K – mTOR дисрегуляцию кортикального развития, ведущую к фенотипам макроцефалии / аутизма. Genes Dev. 34 , 580–597 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 229.

    Park, J. et al. 3D-система трикультуры человека, моделирующая нейродегенерацию и нейровоспаление при болезни Альцгеймера. Nat. Neurosci. 21 , 941–951 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 230.

    Kim, H. et al. Моделирование спорадической болезни Паркинсона G2019S-LRRK2 в трехмерных органоидах среднего мозга. Stem Cell Rep. 12 , 518–531 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 231.

    Suzuki, K., Murano, T., Shimizu, H. & Ito, G. Одноклеточный анализ органоидов тонкой кишки, полученных от пациентов при болезни Крона, выявил модификацию свойств стволовых клеток, зависящую от активности заболевания. J. Gastroenterol. 53 , 1035–1047 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 232.

    Howell, K. J. et al. Паттерны метилирования ДНК и транскрипции в эпителиальных клетках кишечника педиатрических пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника позволяют дифференцировать подтипы заболевания и связаны с исходом. Гастроэнтерология 154 , 585–598 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 233.

    d’Aldebert, E. et al. Характеристика органоидов толстой кишки человека от пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника. Фронт. Cell Dev. Биол. 8 , 363 (2020).

    Артикул Google Scholar

  • 234.

    Zhang, W. et al. Моделирование микроцефалии с помощью церебральных органоидов обнаруживает путь WDR62-CEP170-KIF2A, способствующий разборке ресничек у нейральных предшественников. Nat. Commun. 10 , 2612 (2019).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 235.

    Raja, W. K. et al. Самоорганизующаяся трехмерная нервная ткань человека, полученная из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, воспроизводит фенотипы болезни Альцгеймера. PLoS ONE 11 , e0161969 (2016).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 236.

    Gonzalez, C. et al. Моделирование патологии бета- и тау-амилоидов в органоидах головного мозга человека. Мол. Психиатрия 23 , 2363–2374 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 237.

    Чумарина М. и соавт. Клеточные изменения, выявленные в сфероидах среднего мозга, происходящих из плюрипотентных стволовых клеток, полученных от пациентки с прогрессирующей внешней офтальмоплегией и паркинсонизмом, которая несет новую вариацию (p.Q811R) в гене POLG1 . Acta Neuropathol. Commun. 7 , 208 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 238.

    Бускин А. и др. Нарушение альтернативного сплайсинга генов, участвующих в сплайсинге и цилиогенезе, вызывает пигментный ретинит PRPF31. Nat. Commun. 9 , 4234 (2018).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 239.

    Parfitt, D. A. et al. Выявление и коррекция механизмов, лежащих в основе наследственной слепоты в оптических чашечках, полученных на основе ИПСК человека. Cell Stem Cell 18 , 769–781 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 240.

    Li, G. et al.Получение и характеристика индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и органоидов сетчатки у пациента с врожденным амаврозом Лебера с новыми мутациями RPE65. Фронт. Мол. Neurosci. 12 , 212 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 241.

    Freedman, B. S. et al. Снижение уровня цилиарного полицистина-2 в индуцированных плюрипотентных стволовых клетках пациентов с поликистозом почек с мутациями PKD1. Дж.Являюсь. Soc. Нефрол. 24 , 1571–1586 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 242.

    Cruz, N. M. et al. Органоидный цистогенез показывает критическую роль микросреды в поликистозе почек человека. Nat. Матер. 16 , 1112–1119 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 243.

    Akbari, S. et al.Надежная долгосрочная культура органоидов печени, полученных из энтодермы, для моделирования заболеваний. Stem Cell Rep. 13 , 627–641 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 244.

    Guan, Y. et al. Органоиды печени человека для анализа генетических заболеваний человека. JCI Insight 2 , e

    (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 245.

    Ouchi, R. et al. Моделирование стеатогепатита у людей с помощью органоидов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток. Cell Metab. 30 , 374–384.e6 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 246.

    Роданский, Э. С., Джонсон, Л. А., Хуанг, С., Спенс, Дж. Р. и Хиггинс, П. Д. Р. Органоиды кишечника: модель кишечного фиброза для оценки антифиброзных препаратов. Exp. Мол. Патол. 98 , 346–351 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 247.

    Woo, D. et al. Усиление петли обратной связи теломер Wnt восстанавливает функцию кишечных стволовых клеток в органотипической модели врожденного дискератоза у человека. Cell Stem Cell 19 , 397–405 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 248.

    Фан, Х., Демирчи, У. и Чен, П. Новые модели органоидов: шаг вперед в исследованиях рака. J. Hematol. Онкол. 12 , 142 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 249.

    Клеверс, Х. и Тувсон, Д. А. Модели органоидов для исследования рака. Annu. Rev. Cancer Biol. 3 , 223–234 (2019).

    Артикул Google Scholar

  • 250.

    Fujii, M. et al. Библиотека органоидов колоректальной опухоли демонстрирует прогрессирующую потерю потребности в нишевом факторе во время туморогенеза. Cell Stem Cell 18 , 827–838 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 251.

    Broutier, L. et al. Культуры органоидов, полученных из первичного рака печени человека, для моделирования заболеваний и скрининга лекарств. Nat. Med. 23 , 1424–1435 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 252.

    Cao, W. et al. Моделирование рака печени и реакции на терапию с использованием органоидов, полученных из первичных опухолей печени мышей. Канцерогенез 40 , 145–154 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 253.

    Gao, D. et al. Культуры органоидов, полученные от пациентов с распространенным раком простаты. Cell 159 , 176–187 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 254.

    Kim, M. et al. Органоиды рака легких, полученные от пациентов, как модели рака in vitro для терапевтического скрининга. Nat. Commun. 10 , 3991 (2019).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 255.

    Vlachogiannis, G. et al. Органоиды, полученные от пациентов, моделируют терапевтический ответ метастатического рака желудочно-кишечного тракта. Наука 359 , 920–926 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 256.

    Driehuis, E. et al. Органоиды рака поджелудочной железы повторяют болезнь и позволяют проводить индивидуальный скрининг лекарств. Proc. Natl Acad. Sci. США 116 , 26580–26590 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 257.

    Ян, Х. Х. Н. и др. Комплексный биобанк органоидов рака желудка человека фиксирует неоднородность подтипов опухоли и позволяет проводить терапевтический скрининг. Cell Stem Cell 23 , 882–897.e11 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 258.

    Bruna, A. et al. Биобанк эксплантатов рака молочной железы с сохраненной внутриопухолевой гетерогенностью для скрининга противоопухолевых соединений. Cell 167 , 260–274.e22 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 259.

    Zhou, T. et al. Скрининг с высоким содержанием нейральных предшественников hPSC позволяет выявить лекарственные препараты-кандидаты, которые подавляют инфицирование вирусом Зика в органоидах, подобных эмбриону, и мозгу взрослого человека. Cell Stem Cell 21 , 274–283.e5 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 260.

    Leite, S. B. et al. Новая модель органоидов печени человека позволяет тестировать лекарственный фиброз печени in vitro. Биоматериалы 78 , 1–10 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 261.

    Лю Ф., Хуанг Дж. И Лю З. Винкристин нарушает микротрубочки и вызывает нейротоксичность церебральных органоидов. Neuroscience 404 , 530–540 (2019).

    CAS Статья Google Scholar

  • 262.

    Qian, X., Nguyen, H. N., Jacob, F., Song, H. & Ming, G. L. Использование органоидов мозга для понимания микроцефалии, вызванной вирусом Зика. Девелопмент 144 , 952–957 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 263.

    Датта, Д., Хео, И. и Клеверс, Х. Моделирование заболеваний в трехмерных органоидных системах, полученных из стволовых клеток. Trends Mol. Med. 23 , 393–410 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 264.

    Zhou, J. et al. Дифференцированные органоиды дыхательных путей человека для оценки инфекционности появляющегося вируса гриппа. Proc. Natl Acad. Sci. США 115 , 6822–6827 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 265.

    Hui, K. P. Y. et al. Тропизм, репликационная способность и врожденные иммунные ответы вируса гриппа: анализ органоидов дыхательных путей человека и культур бронхов ex vivo. Ланцет Респир. Med. 6 , 846–854 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 266.

    Monteil, V. et al. Ингибирование инфекций SARS-CoV-2 в тканях человека с использованием растворимого человеческого ACE2 клинического уровня. Ячейка 181 , 905–913.e7 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 267.

    Lamers, M. M. et al. SARS-CoV-2 продуктивно инфицирует энтероциты кишечника человека. Наука 369 , 50–54 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 268.

    Zhou, J. et al. Заражение органоидов кишечника летучих мышей и человека SARS-CoV-2. Nat. Med. 26 , 1077–1083 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 269.

    Salahudeen, A. A. et al. Идентификация предшественников и инфекция SARS-CoV-2 в органоидах дистальных отделов легких человека. Природа 588 , 670–675 (2020).

    CAS Статья Google Scholar

  • 270.

    Han, Y. et al. Идентификация ингибиторов SARS-CoV-2 с использованием органоидов легких и толстой кишки. Природа 589 , 270–275 (2021).

    CAS Статья Google Scholar

  • 271.

    Ettayebi, K. et al. Репликация норовирусов человека в энтероидах человека, полученных из стволовых клеток. Наука 353 , 1387–1393 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 272.

    Zhang, Y.-G., Wu, S., Xia, Y. & Sun, J. Система культивирования кишечных органоидов, инфицированных Salmonella , полученных из крипт, для взаимодействия хозяина и бактерий. Physiol. Отчет 2 , e12147 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 273.

    Wilson, S. S., Tocchi, A., Holly, M. K., Parks, W. C. & Smith, J. G. Модель органоидов тонкой кишки неинвазивных взаимодействий кишечных патогенов и эпителиальных клеток. Mucosal Immunol. 8 , 352–361 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 274.

    Форбестер, J. L. et al. Взаимодействие серовара Typhimurium Salmonella enterica с органоидами кишечника, полученными из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток. Заражение. Иммун. 83 , 2926–2934 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 275.

    Finkbeiner, S. R. et al. Органические кишечные органоиды человека, полученные из стволовых клеток, как модель инфекции ротавирусов. мБио 3 , e00159-12 (2012).

    Артикул CAS Google Scholar

  • 276.

    Porotto, M. et al. Аутентичное моделирование респираторной вирусной инфекции человека в органоидах легких, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека. мБио 10 , e00723-19 (2019).

    Артикул Google Scholar

  • 277.

    Ciancanelli, M. J. et al. Опасный для жизни грипп и нарушение амплификации интерферона при дефиците IRF7 человека. Наука 348 , 448–453 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • Органоиды: новая многообещающая платформа in vitro в животноводческих и ветеринарных исследованиях | Ветеринарные исследования

  • 1.

    Eiraku M, Watanabe K, Matsuo-Takasaki M, Kawada M, Yonemura S, Matsumura M, Wataya T., Nishiyama A, Muguruma K, Sasai Y (2008) Самоорганизованное образование поляризованных корковых тканей из ESC и их активное манипулирование внешними сигналами.Стволовая клетка 3: 519–532. https://doi.org/10.1016/j.stem.2008.09.002

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 2.

    Sato T, Vries RG, Snippert HJ, van de Wetering M, Barker N, Stange DE, van Es JH, Abo A, Kujala P, Peters PJ, Clevers H (2009) Одинарные стволовые клетки Lgr5 создают крипту –Структуры ворсинок in vitro без мезенхимальной ниши. Nature 459: 262–265

    CAS Статья Google Scholar

  • 3.

    Fatehullah A, Tan SH, Barker N (2016) Органоиды как модель развития человека и болезней in vitro. Nat Cell Biol 18: 246–254

    Статья Google Scholar

  • 4.

    Ланкастер М.А., Кноблич Ю.А. (2014) Органогенез в чашке: моделирование развития и заболевания с использованием органоидных технологий. Наука 345: 1247125. https://doi.org/10.1126/science.1247125

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 5.

    Такахаши К., Яманака С. (2006) Индукция плюрипотентных стволовых клеток из культур эмбриональных и взрослых фибробластов мыши с помощью определенных факторов. Ячейка 126: 663–676. https://doi.org/10.1016/j.cell.2006.07.024

    CAS Статья Google Scholar

  • 6.

    Такахаши К., Яманака С. (2016) Десятилетие опосредованного транскрипционным фактором репрограммирования до плюрипотентности. Nat Rev Mol Cell Biol 17: 183–193. https://doi.org/10.1038/nrm.2016.8

    CAS Статья Google Scholar

  • 7.

    Баркер Н., Хуч М., Куяла П., ван де Ветеринг М., Снапперт Х. Дж., Ван Эс Дж. Х., Сато Т., Штанге Д. Е., Бегтель Х, ван ден Борн М., Даненберг Э, ван ден Бринк С., Корвинг Дж., Або А, Peters PJ, Wright N, Poulsom R, Clevers H (2010) Lgr5 (+ ve) стволовые клетки стимулируют самообновление в желудке и создают долгоживущие желудочные единицы in vitro. Стволовая клетка клетки 6: 25–36. https://doi.org/10.1016/j.stem.2009.11.013

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 8.

    Huch M, Dorrell C, Boj SF, van Es JH, Li VS, van de Wetering M, Sato T, Hamer K, Sasaki N, Finegold MJ, Haft A, Vries RG, Grompe M, Clevers H (2013) In vitro экспансия единичных стволовых клеток печени Lgr5 +, индуцированная регенерацией, управляемой Wnt. Природа 494: 247–250. https://doi.org/10.1038/nature11826

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 9.

    Хуч М., Бонфанти П., Бодж С.Ф., Сато Т., Луманс К.Дж.М, ван де Ветеринг М., Соджуди М., Ли ВСВ, Шуйерс Дж., Граканин А., Рингнальда Ф., Бегтель Х., Хамер К., Малдер Дж., van Es JH, de Koning E, Vries RGJ, Heimberg H, Clevers H (2013) Неограниченное расширение in vitro биопотентных предшественников поджелудочной железы у взрослых через ось Lgr5 / R-спондина.EMBO J 32: 2708–2721. https://doi.org/10.1038/emboj.2013.204

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 10.

    Акбари С., Севинч Г.Г., Эрсой Н., Басак О, Каплан К., Севинч К., Озель Э, Сенгун Б., Энустун Э, Озчимен Б., Багрияник А., Арслан Н., Ондер Т.Т., Эрдал Э (2019) Надежная долгосрочная культура органоидов печени, полученных из энтодермы, для моделирования заболеваний. Отчеты о стволовых клетках 13: 627–641. https://doi.org/10.1016/j.стерженьcr.2019.08.007

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 11.

    Matsui TK, Matsubayashi M, Sakaguchi YM, Hayashi RK, Zheng C, Sugie K, Hasegawa M, Nakagawa T., Mori E (2018) Шестимесячные культивированные церебральные органоиды из ES-клеток человека содержат зрелые нервные клетки. Neurosci Lett 670: 75–82. https://doi.org/10.1016/j.neulet.2018.01.040

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 12.

    Bigorgne AE, Farin HF, Lemoine R, Mahlaoui N, Lambert N, Gil M, Schulz A, Philippet P, Schlesser P, Abrahamsen TG, Oymar K, Davies EG, Ellingsen CL, Leteurtre E, Moreau-Massart B, Berrebi D , Bole-Feysot C, Nischke P, Brousse N, Fischer A, Clevers H, de Saint Basile G (2014) Мутации TTC7A нарушают апикобазальную полярность кишечного эпителия. Дж. Клин Инвест 124: 328–337. https://doi.org/10.1172/JCI71471

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 13.

    Wiegerinck CL, Janecke AR, Schneeberger K, Vogel GF, van Haaften-Visser DY, Escher JC, Adam R, Thoni CE, Pfaller K, Jordan AJ, Weis CA, Nijman IJ, Monroe GR, van Hasselt PM, Cutz E, Klumperman J, Clevers H, Nieuwenhuis EE, Houwen RH, van Haaften G, Hess MW, Huber LA, Stapelbroek JM, Muller T, Middendorp S (2014) Потеря синтаксина 3 вызывает болезнь включения вариантных микроворсинок. Гастроэнтерология 147: 65–68.e10. https://doi.org/10.1053/j.gastro.2014.04.002

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 14.

    Lu Y-C, Fu D-J, An D, Chiu A, Schwartz R, Nikitin AY, Ma M (2017) Масштабируемое производство и криохранилище органоидов с использованием разделенных между ядром и оболочкой гидрогелевых капсул. Adv Biosyst. https://doi.org/10.1002/adbi.201700165

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 15.

    Miyoshi H, Stappenbeck TS (2013) Экспансия in vitro и генетическая модификация стволовых клеток желудочно-кишечного тракта в культуре сфероидов. Nat Protoc 8: 2471–2482.https://doi.org/10.1038/nprot.2013.153

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 16.

    Gjorevski N, Ranga A, Lutolf MP (2014) Подходы биоинженерии для управления органогенезом на основе стволовых клеток. Development 141: 1794–1804. https://doi.org/10.1242/dev.101048

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 17.

    Leung E, Kim JE, Askarian-Amiri M, Finlay GJ, Baguley BC (2014) Доказательства существования тройных отрицательных вариантов в популяции клеток рака молочной железы MCF-7.Biomed Res Int 2014: 836769. https://doi.org/10.1155/2014/836769

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 18.

    Бен-Давид У, Сираносиан Б., Ха Г, Тан Х, Орен Й, Хинохара К., Стратди, Калифорния, Демпстер Дж, Лион, Нью-Джерси, Бернс Р., Наг А, Кугенер Дж, Чимини Б., Цветков П., Марувка Ю.Е., О’Рурк Р., Гаррити А., Тубелли А.А., Бандопадхаяй П., Черняк А., Васкес Ф., Вонг Б., Биргер С., Ганди М., Торнер А.Р., Битткер Дж. А., Мейерсон М., Гетц Дж., Бероухим Р., Голуб Т.Р. ( 2018). Генетическая и транскрипционная эволюция изменяет лекарственный ответ линии раковых клеток.Nature 560: 325–330. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0409-3

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 19.

    Xu H, Jiao Y, Qin S, Zhao W, Chu Q, Wu K (2018) Органоидные технологии в моделировании болезней, разработке лекарств, персонализированном лечении и регенеративной медицине. Exp Hematol Oncol 7:30. https://doi.org/10.1186/s40164-018-0122-9

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 20.

    Гренс К. (2013) Большие достижения в науке, 2013 г. Ученый, Нью-Йорк

    Google Scholar

  • 21.

    Обновленная информация об исследованиях органоидов (2018) Nat Cell Biol 20: 633-633. https://doi.org/10.1038/s41556-018-0119-y

  • 22.

    Кондо Дж., Иноуэ М. (2019) Применение модели органоидов рака для скрининга лекарств и персонализированной терапии. Ячейки 8: 470. https://doi.org/10.3390/cells8050470

    CAS Статья PubMed Central Google Scholar

  • 23.

    Nie Y-Z, Zheng Y-W, Ogawa M, Miyagi E, Taniguchi H (2018) Органоиды печени человека, полученные с помощью нескольких клеток, полученных от одного донора, спасают мышей от острой печеночной недостаточности. Стволовые клетки Res Ther 9: 5. https://doi.org/10.1186/s13287-017-0749-1

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 24.

    van den Berg CW, Ritsma L, Avramut MC, Wiersma LE, van den Berg BM, Leuning DG, Lievers E, Koning M, Vanslambrouck JM, Koster AJ, Howden SE, Takasato M, Little MH, Rabelink TJ (2018) Субкапсулярная трансплантация почечных органоидов, происходящих из PSC, индуцирует неоваскулогенез и значительное созревание клубочков и канальцев in vivo.Отчеты о стволовых клетках 10: 751–765. https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2018.01.041

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 25.

    Giuffra E, Tuggle CK и Консорциум FAANG (2019) Функциональная аннотация геномов животных (FAANG): текущие достижения и дорожная карта. Анну Rev Anim Biosci 7: 65–88. https://doi.org/10.1146/annurev-animal-020518-114913

    CAS Статья Google Scholar

  • 26.

    Clark EL, Archibald AL, Daetwyler HD, Groenen MAM, Harrison PW, Houston RD, Kühn C, Lien S, Macqueen DJ, Reecy JM, Robledo D, Watson M, Tuggle CK, Giuffra E (2020) От FAANG до вилки: применение высокоаннотированных геномов для улучшения животноводства на фермах. Геном Биол 21: 285. https://doi.org/10.1186/s13059-020-02197-8

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 27.

    Финкбайнер С.Р., Зенг X-L, Утама Б., Атмар Р.Л., Шройер Н.Ф., Эстес М.К. (2012) Органические кишечные органоиды человека, полученные из стволовых клеток, как модель инфекции ротавирусов.MBio 3: e00159. https://doi.org/10.1128/mBio.00159-12

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 28.

    Castellanos-Gonzalez A, Cabada MM, Nichols J, Gomez G, White AC Jr (2013) Первичные кишечные эпителиальные клетки человека как улучшенная модель in vitro для инфекции Cryptosporidium parvum . Инфекция иммунной 81: 1996–2001. https://doi.org/10.1128/iai.01131-12

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 29.

    Tuveson D, Clevers H (2019) Моделирование рака соответствует технологии органоидов человека. Наука 364: 952–955. https://doi.org/10.1126/science.aaw6985

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 30.

    Lancaster MA, Renner M, Martin C-A, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, Homfray T, Penninger JM, Jackson AP, Knoblich JA (2013) Церебральные органоиды моделируют развитие человеческого мозга и микроцефалию. Nature 501: 373–379. https: // doi.org / 10.1038 / nature12517

    CAS Статья Google Scholar

  • 31.

    Накамура Т., Сато Т. (2018) Продвижение технологии кишечных органоидов в сторону регенеративной медицины. Cell Mol Gastroenterol Hepatol 5: 51–60. https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2017.10.006

    Статья PubMed Google Scholar

  • 32.

    Middendorp S, Schneeberger K, Wiegerinck CL, Mokry M, Akkerman RD, van Wijngaarden S, Clevers H, Nieuwenhuis EE (2014) Взрослые стволовые клетки в тонкой кишке внутренне запрограммированы с их функцией, зависящей от местоположения.Стволовые клетки 32: 1083–1091. https://doi.org/10.1002/stem.1655

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 33.

    Wells JM, Spence JR (2014) Как сделать кишечник. Развитие 141: 752–760. https://doi.org/10.1242/dev.097386

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 34.

    Моррисон SJ, Spradling AC (2008) Стволовые клетки и ниши: механизмы, которые способствуют поддержанию стволовых клеток на протяжении всей жизни.Ячейка 132: 598–611. https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.01.038

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 35.

    Sato T, Clevers H (2013) Выращивание самоорганизующихся мини-кишок из одной стволовой клетки кишечника: механизм и применение. Science 340: 1190–1194. https://doi.org/10.1126/science.1234852

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 36.

    McCauley HA, Wells JM (2017) Органоиды, полученные из плюрипотентных стволовых клеток: использование принципов биологии развития для выращивания тканей человека в чашке. Развитие 144: 958–962. https://doi.org/10.1242/dev.140731

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 37.

    Kibbey MC (1994) Поддержание саркомы EHS и препарат Матригель. J Tissue Cult Meth 16: 227–230. https://doi.org/10.1007/BF01540656

    Статья Google Scholar

  • 38.

    Веласко В., Шариати С.А., Эсфандьярпур Р. (2020) Методы на основе микротехнологий для моделирования органоидов. Microsyst Nanoeng 6:76. https://doi.org/10.1038/s41378-020-00185-3

    CAS Статья Google Scholar

  • 39.

    Тайпале Дж., Кески-Оя Дж. (1997) Факторы роста во внеклеточном матриксе. Faseb J 11: 51–59. https://doi.org/10.1096/fasebj.11.1.

    66

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 40.

    Gjorevski N, Sachs N, Manfrin A, Giger S, Bragina ME, Ordóñez-Morán P, Clevers H, Lutolf MP (2016) Дизайнерские матрицы для культуры кишечных стволовых клеток и органоидов. Природа 539: 560–564. https://doi.org/10.1038/nature20168

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 41.

    VanDussen KL, Marinshaw JM, Shaikh N, Miyoshi H, Moon C, Tarr PI, Ciorba MA, Stappenbeck TS (2015) Разработка усовершенствованной системы культуры эпителия желудочно-кишечного тракта человека для облегчения анализов на основе пациентов.Gut 64: 911–920. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2013-306651

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 42.

    Moon C, VanDussen KL, Miyoshi H, Stappenbeck TS (2014) Разработка системы монослойной культивирования первичных эпителиальных клеток кишечника мышей для оценки факторов, которые модулируют трансцитоз IgA. Mucosal Immunol 7: 818–828. https://doi.org/10.1038/mi.2013.98

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 43.

    van der Hee B, Loonen LMP, Taverne N, Taverne-Thiele JJ, Smidt H, Wells JM (2018) Оптимизированные процедуры для создания улучшенной, почти физиологической 2D системы культивирования из органоидов кишечника свиней. Stem Cell Res 28: 165–171. https://doi.org/10.1016/j.scr.2018.02.013

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 44.

    Сакиб С., Ю. Ю., Войт А., Унгрин М., Добрински И. (2019) Создание органоидов яичка свиней со специфической архитектурой семенников с использованием микропланшетной культуры.J Vis Exp. https://doi.org/10.3791/60387

    Статья PubMed Google Scholar

  • 45.

    Vermeulen M, Del Vento F, Kanbar M, Pyr Dit Ruys S, Vertommen D, Poels J, Wyns C (2019) Получение организованных органоидов яичка свиней в солюбилизированных гидрогелях из децеллюляризованного внеклеточного матрикса. Int J Mol Sci 20: 5476. https://doi.org/10.3390/ijms20215476

    CAS Статья PubMed Central Google Scholar

  • 46.

    Chromiak JA, Shansky J, Perrone C, Vandenburgh HH (1998) Биореакторная перфузионная система для длительного поддержания тканеинженерных органоидов скелетных мышц. Vitro Cell Dev Biol Anim 34: 694–703. https://doi.org/10.1007/s11626-998-0065-2

    CAS Статья Google Scholar

  • 47.

    Чалисова Н.И., Пеннияйнен В.А., Харитонова Н.В., Ноздрачев А.Д. (2001) Динамика стимулирующего и тормозящего воздействия на органоидные культуры нервной и лимфоидной тканей.Dokl Biol Sci 380: 424–426

    CAS Статья Google Scholar

  • 48.

    Эллис С., Пуруп С., Сейрсен К., Акерс Р.М. (2000) Рост и морфогенез органоидов эпителиальных клеток из периферической и медиальной паренхимы молочной железы у телок препубертатного возраста. J Dairy Sci 83: 952–961. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(00)74959-9

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 49.

    Weber MS, Purup S, Vestergaard M, Akers RM, Sejrsen K (2000) Пищевая и соматотропная регуляция митогенного ответа клеток молочной железы на экстракты ткани молочной железы. Domest Anim Endocrinol 18: 159–164. https://doi.org/10.1016/s0739-7240(99)00071-5

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 50.

    Holland MS, Stasko JA, Holland RE (2007) Влияние внеклеточного матрикса на рост и дифференцировку клеток-предшественников молочной железы крупного рогатого скота.Am J Vet Res 68: 476–482. https://doi.org/10.2460/ajvr.68.5.476

    Статья PubMed Google Scholar

  • 51.

    Ямаджи Д., Камикава А., Солиман М.М., Ито Т., Ахмед М.М., Макондо К., Ватанабе А., Сайто М., Кимура К. (2007) Лептин ингибирует индуцированный фактором роста гепатоцитов протоковый морфогенез эпителиальных клеток молочной железы крупного рогатого скота. Jpn J Vet Res 54: 183–189

    PubMed Google Scholar

  • 52.

    Martignani E, Accornero P, Miretti S, Baratta M (2018) Органоиды молочной железы крупного рогатого скота: модель для изучения эпителиальных клеток молочной железы. Методы Мол Биол 1817: 137–144. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8600-2_14

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 53.

    Gonzalez LM, Williamson I, Piedrahita JA, Blikslager AT, Magness ST (2013) Идентификация линии клеток и культура стволовых клеток на модели свиней для изучения регенерации кишечного эпителия.PLoS ONE 8: e66465

    CAS Статья Google Scholar

  • 54.

    Khalil HA, Lei NY, Brinkley G, Scott A, Wang JF, Kar UK, Jabaji ZB, Lewis M, Martin MG, Dunn JCY, Stelzner MG (2016) Новая система культивирования кишечных крипт взрослых свиней . Cell Tissue Res 365: 123–134. https://doi.org/10.1007/s00441-016-2367-0

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 55.

    Powell RH, Behnke MS (2017) Среда, кондиционированная WRN, достаточна для размножения кишечных органоидов in vitro от крупных сельскохозяйственных животных и мелких домашних животных. Biol Open 6: 698–705. https://doi.org/10.1242/bio.021717

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 56.

    Derricott H, Luu L, Fong WY, Hartley CS, Johnston LJ, Armstrong SD, Randle N, Duckworth CA, Campbell BJ, Wastling JM, Coombes JL (2018) Разработка трехмерной модели кишечного эпителия для видов домашнего скота .Cell Tissue Res. https://doi.org/10.1007/s00441-018-2924-9

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 57.

    Adegbola S, Moore J, Sahnan K, Tozer P, Phillips R, Warusavitarne J, Faiz O, Hart A (2017) Создание модели свиней для перевода моделей органоидов аноректальных стволовых клеток для выяснения этиологии перианальной болезни Крона свищи. Колит J Crohns 11: S81 – S82

    Статья Google Scholar

  • 58.

    von Furstenberg RJ, Li J, Stolarchuk C, Feder R, Campbell A, Kruger L, Gonzalez LM, Blikslager AT, Cardona DM, McCall SJ, Henning SJ, Garman KS (2017) Модель культуры подслизистой железы пищевода свиней демонстрирует способность к пролиферации и дифференциация. Cell Mol Gastroenterol Hepatol 4: 385–404. https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2017.07.005

    Статья Google Scholar

  • 59.

    Ellen ED, Taverne N, Taverne-Thiele JJ, Madsen O, Woelders H, Bergsma R, Knol EF, Kar SK, Haas Yd, Groenen M, Wells JM (2018) Органоиды стволовых клеток кишечника как экспериментальные модели для исследования эффективности кормов.Доклад, представленный на 69-м ежегодном собрании Европейской федерации зоотехники, Дубровник, Хорватия, 28-08-2018

  • 60.

    van der Hee B, Madsen O, Vervoort J, Smidt H, Wells JM (2020) Congruence программ транскрипции в органоидах тощей кишки взрослых, полученных из стволовых клеток, и в исходной ткани во время длительного культивирования. Front Cell Dev Biol 8: 375. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.00375

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 61.

    Кольтес Д.А., Габлер Н.К. (2016) Характеристика культур кишечных энтероидов свиней под воздействием липополисахаридов. J Anim Sci 94: 335–339. https://doi.org/10.2527/jas2015-9793

    CAS Статья Google Scholar

  • 62.

    Resende TP, Medida RL, Vannucci FA, Saqui-Salces M, Gebhart C (2020) Оценка энтероидов свиней как моделей in vitro для инфекции Lawsonia intracellularis . J Anim Sci 98: skaa011.https://doi.org/10.1093/jas/skaa011

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 63.

    Li L, Fu F, Guo S, Wang H, He X, Xue M, Yin L, Feng L, Liu P (2019) Кишечные энтероиды свиней: новая модель для изучения кишечного коронавируса, вируса эпидемической диареи свиней инфекция и врожденная реакция хозяина. Дж. Вирол 93: e01682. https://doi.org/10.1128/jvi.01682-18

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 64.

    Li L, Xue M, Fu F, Yin L, Feng L, Liu P (2019) IFN-Lambda 3 опосредует противовирусную защиту от вируса эпидемической диареи свиней, индуцируя отчетливый профиль антивирусных транскриптов в эпителии кишечника свиней. Фронт Иммунол 10: 2394. https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.02394

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 65.

    Zhang J, Guo L, Yang L, Xu J, Zhang L, Feng L, Chen H, Wang Y (2018) Металлопротеаза ADAM17 регулирует инфицирование вирусом эпидемической диареи свиней путем модификации аминопептидазы N.Вирусология 517: 24–29. https://doi.org/10.1016/j.virol.2018.02.001

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 66.

    Zeng S, Zhang H, Ding Z, Luo R, An K, Liu L, Bi J, Chen H, Xiao S, Fang L (2015) Анализ протеома инфицированных вирусом эпидемической диареи свиней (PEDV) Клетки Vero. Протеомика 15: 1819–1828. https://doi.org/10.1002/pmic.201400458

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 67.

    Ji C-M, Wang B, Zhou J, Huang Y-W (2018) Аминопептидаза-N-независимое проникновение вируса эпидемической диареи свиней в Vero или эпителиальные клетки тонкой кишки свиней. Вирусология 517: 16–23. https://doi.org/10.1016/j.virol.2018.02.019

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 68.

    Desmyter J, Melnick JL, Rawls WE (1968) Дефектность производства интерферона и интерференция вируса краснухи в линии клеток почек африканской зеленой мартышки (Vero).J Virol 2: 955–961

    CAS Статья Google Scholar

  • 69.

    Zhang Q, Ke H, Blikslager A, Fujita T, Yoo D (2018) Ограничение интерферона типа III вирусом эпидемической диареи свиней и роль вирусного белка nsp1 в передаче сигналов IRF1. J Virol 92: e01677. https://doi.org/10.1128/jvi.01677-17

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 70.

    Fu F, Li L, Shan L, Yang B, Shi H, Zhang J, Wang H, Feng L, Liu P (2017) Спайк-специфическое целое свиное антитело, выделенное из свиной B-клетки, которое нейтрализует как геногруппу 1, так и 2 штамма PEDV. Vet Microbiol 205: 99–105. https://doi.org/10.1016/j.vetmic.2017.05.013

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 71.

    Yin L, Chen J, Li L, Guo S, Xue M, Zhang J, Liu X, Feng L, Liu P (2020) Экспрессия аминопептидазы N, а не реакции интерферона, определяет сегментарный тропизм кишечника свиней. дельтакоронавирус.Дж. Вирол 94 (14): e00480. https://doi.org/10.1128/JVI.00480-20

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 72.

    Луо Х, Чжэн Дж, Чен Й, Ван Т., Чжан З., Шань Й, Сюй Дж, Юэ М., Фанг В., Ли Х (2020) Оценка полезности энтероидов свиней в качестве модели инфекции PDCoV in vitro. Front Microbiol 11: 821

    Статья Google Scholar

  • 73.

    Li Y, Yang N, Chen J, Huang X, Zhang N, Yang S, Liu G, Liu G (2020) Органоиды кишечника свиней нового поколения: модель органоидов с апикальным выходом для кишечной вирусной инфекции свиней и исследования иммунного ответа.J Virol 94: e01006 – e01020. https://doi.org/10.1128/JVI.01006-20

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 74.

    Ferrandis Vila M, Trudeau MP, Hung YT, Zeng Z, Urriola PE, Shurson GC, Saqui-Salces M (2018) Источники пищевых волокон и некрахмальные ферменты, разлагающие полисахариды, изменяют экспрессию муцина и иммунный профиль подвздошной кишки свиньи. PLoS ONE 13: e0207196

    Статья Google Scholar

  • 75.

    Olayanju A, Jones L, Greco K, Goldring CE, Ansari T (2019) Применение желудочно-кишечных органоидов свиней в качестве потенциального инструмента in vitro для открытия и разработки лекарств. J Appl Toxicol 39: 4–15. https://doi.org/10.1002/jat.3641

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 76.

    Stieler Stewart A, Freund JM, Blikslager AT, Gonzalez LM (2018) Выделение и культура кишечных стволовых клеток на модели сегментарной ишемии тонкого кишечника у свиней.J Vis Exp 135: 57647. https://doi.org/10.3791/57647

    CAS Статья Google Scholar

  • 77.

    Zhu M, Qin YC, Gao CQ, Yan HC, Li XG, Wang XQ (2019) Активация mTORC1, индуцированная внеклеточным глутаматом через путь IR / IRS / PI3K / Akt, усиливает распространение стволовых клеток кишечника свиней . J. Agric Food Chem. 67: 9510–9521. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b03626

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 78.

    Engevik AC, Coutts AW, Kaji I, Rodriguez P, Ongaratto F, Saqui-Salces M, Medida RL, Meyer AR, Kolobova E, Engevik MA, Williams JA, Shub MD, Carlson DF, Melkamu T, Goldenring JR (2020) Редактирование гена миозина VB для создания свиной модели болезни включения микроворсинок с включениями, выстилающими микроворсинки, и изменениями в транспортерах натрия. Гастроэнтерология 158: 2236–2249.e9. https://doi.org/10.1053/j.gastro.2020.02.034

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 79.

    Wang Z, Li J, Wang Y, Wang L, Yin Y, Yin L, Yang H, Yin Y (2020) Диетический витамин A влияет на показатели роста, развитие кишечника и функции у отъемных поросят, воздействуя на стволовые клетки кишечника. J Anim Sci 98: skaa020. https://doi.org/10.1093/jas/skaa020

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 80.

    Li XG, Zhu M, Chen MX, Fan HB, Fu HL, Zhou JY, Zhai ZY, Gao CQ, Yan HC, Wang XQ (2019) Острое воздействие дезоксиниваленола подавляет энтероидную активность свиней за счет подавления Путь Wnt / бета-катенин.Toxicol Lett 305: 19–31. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2019.01.008

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 81.

    Zhu M, Qin YC, Gao CQ, Yan HC, Wang XQ (2020) l-глутамат стимулирует обновление эпителия кишечника свиней за счет увеличения активности стволовых клеток за счет активации пути EGFR-ERK-mTORC1. Food Funct 11: 2714–2724. https://doi.org/10.1039/c9fo03065d

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 82.

    Панек М., Грабака М., Пьерзчальская М. (2018) Образование органоидов кишечника в культуре висячей капли. Цитотехнология 70: 1085–1095. https://doi.org/10.1007/s10616-018-0194-8

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 83.

    Pierzchalska M, Panek M, Grabacka M (2018) События миграции и слияния, связанные с активностью ROCK, сильно влияют на морфологию кишечных органоидов куриных эмбрионов.Protoplasma 256: 575–581. https://doi.org/10.1007/s00709-018-1312-3

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 84.

    Pierzchalska M, Panek M, Czyrnek M, Gielicz A, Mickowska B, Grabacka M (2017) Пробиотик Lactobacillus acidophilus или синтетический агонист TLR2 стимулируют рост кишечных органоидов куриных эмбрионов в культурах и эпителиальных клетках. миофибробласты. Comp Immunol Microbiol Infect Dis 53: 7–18.https://doi.org/10.1016/j.cimid.2017.06.002

    Статья PubMed Google Scholar

  • 85.

    Pierzchalska M, Grabacka M, Michalik M, Zyla K, Pierzchalski P (2012) Простагландин E-2 поддерживает рост кишечных органоидов куриных эмбрионов в матриксе матригеля. Биотехники 52: 307–315. https://doi.org/10.2144/0000113851

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 86.

    Acharya M, Arsi K, Donoghue AM, Liyanage R, Rath NC (2020) Производство и характеристика энтероидов птичьих крипт-ворсинок и влияние химических веществ. BMC Vet Res 16: 179. https://doi.org/10.1186/s12917-020-02397-1

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 87.

    Li J, Li J, Zhang SY, Li RX, Lin X, Mi YL, Zhang CQ (2018) Культура и характеристика крипт тонкой кишки цыплят. Poult Sci 97: 1536–1543.https://doi.org/10.3382/ps/pey010

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 88.

    Topfer E, Pasotti A, Telopoulou A, Italiani P, Boraschi D, Ewart MA, Wilde C (2019) Органоиды толстой кишки крупного рогатого скота: от трехмерной биопечати до криоконсервированных платформ для многолуночного скрининга. Toxicol In Vitro 61: 104606. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2019.104606

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 89.

    Hamilton CA, Young R, Jayaraman S, Sehgal A, Paxton E, Thomson S, Katzer F, Hope J, Innes E, Morrison LJ, Mabbott NA (2018) Разработка энтероидов in vitro, полученных из крипт тонкой кишки крупного рогатого скота. Vet Res 49:54. https://doi.org/10.1186/s13567-018-0547-5

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 90.

    Liu M, Yu W, Jin J, Ma M, An T, Nie Y, Teng CB (2020) Медь способствует росту органоидов в протоке поджелудочной железы барана путем активации пути MEK-ERK, зависимого от антиоксидантного белка 1.Am J Physiol Cell Physiol 318: C806 – C816. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00509.2019

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 91.

    Chandra L, Borcherding DC, Kingsbury D, Atherly T, Ambrosini YM, Bourgois-Mochel A, Yuan W, Kimber M, Qi Y, Wang Q, Wannemuehler M, Ellinwood NM, Snella E, Martin M, Скала М., Мейерхольц Д., Эстес М., Фернандес-Запико М.Э., Джергенс А.Е., Мохель Дж. П., Алленспах К. (2019) Получение кишечных органоидов взрослых собак для трансляционных исследований в гастроэнтерологии.BMC Biol 17:33. https://doi.org/10.1186/s12915-019-0652-6

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 92.

    Gelberg HB (2014) Сравнительная анатомия, физиология и механизмы образования болезней пищевода, желудка и тонкой кишки. Toxicol Pathol 42: 54–66. https://doi.org/10.1177/01

    313518113

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 93.

    Wiener DJ, Basak O, Asra P, Boonekamp KE, Kretzschmar K, Papaspyropoulos A, Clevers H (2018) Создание и характеристика системы культивирования органоидов кератиноцитов собак. Ветеринарный дерматол 29: 375. https://doi.org/10.1111/vde.12541

    Статья PubMed Google Scholar

  • 94.

    Kruitwagen HS, Spee B, Viebahn CS, Venema HB, Penning LC, Grinwis GC, Favier RP, van den Ingh TS, Rothuizen J, Schotanus BA (2014) Ниша клеток-предшественников печени собак: молекулярная характеристика в здоровье и болезнь.Ветеринарный журнал J 201: 345–352. https://doi.org/10.1016/j.tvjl.2014.05.024

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 95.

    Spee B, Carpino G, Schotanus BA, Katoonizadeh A, Vander Borght S, Gaudio E, Roskams T (2010) Характеристика ниши клеток-предшественников печени при заболеваниях печени: потенциальное участие передачи сигналов Wnt и Notch. Кишечник 59: 247–257. https://doi.org/10.1136/gut.2009.188367

    Статья PubMed Google Scholar

  • 96.

    Nantasanti S, Spee B, Kruitwagen HS, Chen C, Geijsen N, Oosterhoff LA, van Wolferen ME, Pelaez N, Fieten H, Wubbolts RW, Grinwis GC, Chan J, Huch M, Vries RRG, Clevers H, de Bruin A , Rothuizen J, Penning LC, Schotanus BA (2015) Моделирование заболеваний и генная терапия болезни накопления меди в органоидах печени собак. Отчеты о стволовых клетках 5: 895–907. https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2015.09.002

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 97.

    Chen TC, Neupane M, Chien SJ, Chuang FR, Crawford RB, Kaminski NE, Chang CC (2019) Характеристика эпителиальных стволовых клеток почек взрослых собак, которые дают начало куполообразным трубчатым клеткам. Стволовые клетки Dev 28: 1424–1433. https://doi.org/10.1089/scd.2019.0049

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 98.

    Usui T, Sakurai M, Nishikawa S, Umata K, Nemoto Y, Haraguchi T., Itamoto K, Mizuno T, Noguchi S, Mori T, Iwai S, Nakagawa T, Yamawaki H, Ohama T, Sato K (2017) Создание органоида первичного рака простаты у собак с использованием стволовых клеток рака мочи.Cancer Sci 108: 2383–2392. https://doi.org/10.1111/cas.13418

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 99.

    Эльбадави М., Усуи Т., Мори Т., Цунедоми Р., Хазама С., Набета Р., Учидэ Т., Фукусима Р., Йошида Т., Шибутани М., Танака Т., Масуда С., Окада Р., Итикава Р., Омацу Т. , Mizutani T, Katayama Y, Noguchi S, Iwai S, Nakagawa T., Shinohara Y, Kaneda M, Yamawaki H, Sasaki K (2019) Создание новой экспериментальной модели мышечно-инвазивного рака мочевого пузыря с использованием органоидной культуры рака мочевого пузыря собак.Cancer Sci 110: 2806–2821. https://doi.org/10.1111/cas.14118

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 100.

    Tekes G, Ehmann R, Boulant SA-O, Stanifer MA-O (2020) Разработка органоидов, полученных из подвздошной и толстой кишки кошек, и их потенциальное использование для поддержки коронавирусной инфекции кошек. Ячейки 9: 2085

    CAS Статья Google Scholar

  • 101.

    Kruitwagen HS, Oosterhoff LA, Vernooij I, Schrall IM, van Wolferen ME, Bannink F, Roesch C, van Uden L, Molenaar MR, Helms JB, Grinwis GCM, Verstegen MMA, van der Laan LJW, Huch M, Geijsen N, Vries RG, Clevers H, Rothuizen J, Schotanus BA, Penning LC, Spee B (2017) Долгосрочные культуры органоидов печени взрослых кошек для моделирования заболеваний стеатоза печени. Отчеты о стволовых клетках 8: 822–830. https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2017.02.015

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 102.

    Haaker MW, Kruitwagen HS, Vaandrager AB, Houweling M, Penning LC, Molenaar MR, van Wolferen ME, Oosterhoff LA, Spee B, Helms JB (2020) Определение потенциальных лекарств для лечения липидоза печени у кошек с использованием кошачьих in vitro органоидная система печени. J Vet Intern Med 34: 132–138. https://doi.org/10.1111/jvim.15670

    Статья PubMed Google Scholar

  • 103.

    Стюарт А.С., Фройнд Дж. М., Гонсалес Л. М. (2018) Продвинутая трехмерная культура эпителиальных стволовых клеток кишечного эпителия лошадей.Equine Vet J 50: 241–248. https://doi.org/10.1111/evj.12734

    Статья PubMed Google Scholar

  • 104.

    Mussard E, Pouzet C, Helies V, Pascal G, Fourre S, Cherbuy C, Rubio A, Vergnolle N, Combes S, Beaumont M (2020) Культура органоидов слепой кишки кролика путем восстановления ниши стволовых клеток кишечника in vitro с фармакологическими ингибиторами или средой, кондиционированной L-WRN. Стволовые клетки Res 48: 101980. https://doi.org/10.1016/j.scr.2020.101980

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 105.

    Ланган Л.М., Оуэн С.Ф., Джа А.Н. (2018) Создание и долгосрочное поддержание первичных эпителиальных клеток кишечника, культивируемых из радужной форели. Oncorhynchus mykiss. Biol Open 7: bio032870. https://doi.org/10.1242/bio.032870

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 106.

    Hughes CS, Postovit LM, Lajoie GA (2010) Matrigel: сложная белковая смесь, необходимая для оптимального роста клеточной культуры.Протеомика 10: 1886–1890. https://doi.org/10.1002/pmic.2008

    CAS Статья Google Scholar

  • 107.

    Gjorevski N, Lutolf MP (2017) Синтез и характеристика четко определенных гидрогелевых матриц и их применение в культуре кишечных стволовых клеток и органоидов. Nat Protoc 12: 2263–2274. https://doi.org/10.1038/nprot.2017.095

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 108.

    Lutolf MP, Gilbert PM, Blau HM (2009) Разработка материалов для управления судьбой стволовых клеток. Природа 462: 433–441. https://doi.org/10.1038/nature08602

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 109.

    Краточвил М.Дж., Сеймур А.Дж., Ли Т.Л., Паска С.П., Куо С.Дж., Хайльшорн С.К. (2019) Технические материалы для органоидных систем. Материалы Nat Rev 4: 606–622. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0129-9

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 110.

    Foulke-Abel J, In J, Kovbasnjuk O, Zachos NC, Ettayebi K, Blutt SE, Hyser JM, Zeng XL, Crawford SE, Broughman JR, Estes MK, Donowitz M (2014) Энтероиды человека как ex vivo модель хозяина -патогенные взаимодействия в желудочно-кишечном тракте. Exp Biol Med (Maywood) 239: 1124–1134. https://doi.org/10.1177/1535370214529398

    CAS Статья Google Scholar

  • 111.

    Thorne CA, Chen IW, Sanman LE, Cobb MH, Wu LF, Altschuler SJ (2018) Монослои энтероидов обнаруживают автономную цепь WNT и BMP, контролирующую рост и организацию кишечного эпителия.Dev Cell 44: 624–633.e4. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2018.01.024

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 112.

    Kar SK, van der Hee B, Loonen LMP, Taverne N, Taverne-Thiele JJ, Schokker D, Smits MA, Jansman AJM, Wells JM (2020) Влияние непереваренных богатых белком ингредиентов на поляризованный тонкий кишечник монослои органоидов. J Anim Sci Biotechnol 11:51. https://doi.org/10.1186/s40104-020-00443-4

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 113.

    Liu Y, Chen Y-G (2018) Культуры кишечных стволовых клеток на основе 2D и 3D для персонализированной медицины. Ячейки 7: 225. https://doi.org/10.3390/cells7120225

    CAS Статья PubMed Central Google Scholar

  • 114.

    Braverman J, Yilmaz ÖH (2018) От трехмерных органоидов к двумерным энтероидам. Dev Cell 44: 533–534. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2018.02.016

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 115.

    Callesen MM, Arnadottir SS, Lyskjaer I, Orntoft M-BW, Hoyer S, Dagnaes-Hansen F, Liu Y, Li R, Callesen H, Rasmussen MH, Berthelsen MF, Thomsen MK, Schweiger PJ, Jensen KB, Laurberg S, Orntoft TF, Elverlov-Jakobsen JE, Andersen CL (2017) Генетически индуцируемая модель рака кишечника у свиней. Мол Онкол 11: 1616–1629. https://doi.org/10.1002/1878-0261.12136

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 116.

    Schutgens F, Rookmaaker MB, Margaritis T, Rios A, Ammerlaan C, Jansen J, Gijzen L, Vormann M, Vonk A, Viveen M, Yengej FY, Derakhshan S, de Winter-de Groot KM, Artegiani B, van Boxtel R , Cuppen E, Hendrickx APA, van den Heuvel-Eibrink MM, Heitzer E, Lanz H, Beekman J, Murk JL, Masereeuw R, Holstege F, Drost J, Verhaar MC, Clevers H (2019) Тубулоиды, полученные из почек взрослого человека и моча для персонализированного моделирования болезни. Nat Biotechnol 37: 303–313. https://doi.org/10.1038/s41587-019-0048-8

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 117.

    Zietek T, Giesbertz P, Ewers M, Reichart F, Weinmüller M, Urbauer E, Haller D, Demir IE, Ceyhan GO, Kessler H, Rath E (2020) Органоиды для изучения кишечного транспорта питательных веществ, поглощения лекарств и метаболизма — обновление до человеческая модель и расширение приложений. Front Bioeng Biotechnol 8: 577656

    Статья Google Scholar

  • 118.

    Deusser H, Rogoll D, Scheppach W, Volk A, Melcher R, Richling E (2013) Желудочно-кишечная абсорбция и метаболизм полифенолов яблока ex vivo слизистой оболочкой кишечника свиньи в камере Уссинга.Biotechnol J 8: 363–370. https://doi.org/10.1002/biot.201200303

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 119.

    Йен Дж. Т., Керр Б. Дж., Истер Р. А., Паркхерст А. М. (2004) Разница в скоростях чистого портального всасывания между кристаллическим и связанным с белком лизином и треонином у растущих свиней, которых кормили один раз в день. J Anim Sci 82: 1079–1090. https://doi.org/10.2527/2004.8241079x

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 120.

    Rikkers RSC, Madsen O, Wells JM, Taverne N, Taverne-Thiele AJ, Woelders H, Kar SK, Bergsma R, Ellen ED (2020) Транскриптомный анализ органоидов кишечника свиней, расходящихся на FE, и их ответ на E. coli . В: European Federation of Animal Science (EAAP) 2020, Virtual meeting, Wageningen Academic Publishers, p 349

  • 121.

    Баркаускас CE, Chung MI, Fioret B, Gao X, Katsura H, Hogan BLM (2017) Органоиды легких: текущее использование и будущее обещание. Развитие 144: 986–997.https://doi.org/10.1242/dev.140103

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 122.

    Srivastava V, Huycke TR, Phong KT, Gartner ZJ (2020) Органоидные модели динамики молочной железы и рака груди. Curr Opin Cell Biol 66: 51–58. https://doi.org/10.1016/j.ceb.2020.05.003

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 123.

    Llewellyn A, Foey A (2017) Пробиотическая модуляция сенсорных и сигнальных событий врожденных клеток.Питательные вещества 9: 1156. https://doi.org/10.3390/nu

    56

    CAS Статья PubMed Central Google Scholar

  • 124.

    Росси О., ван Баарлен П., Уэллс Дж. М. (2013) Распознавание патогенов и комменсалов хозяином в кишечнике млекопитающих. Curr Top Microbiol Immunol 358: 291–321. https://doi.org/10.1007/82_2011_191

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 125.

    Jones LG, Vaida A, Thompson LM, Ikuomola FI, Caamaño JH, Burkitt MD, Miyajima F, Williams JM, Campbell BJ, Pritchard DM, Duckworth CA (2019) Передача сигналов NF-κB2 в энтероидах модулирует ответы энтероцитов на секретируемые из костей факторы дендритные клетки костного мозга. Смерть клетки 10 (12): 896. https://doi.org/10.1038/s41419-019-2129-5

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 126.

    Wosen JE, Ilstad-Minnihan A, Co JY, Jiang W, Mukhopadhyay D, Fernandez-Becker NQ, Kuo CJ, Amieva MR, Mellins ED (2019) Модель кишечных энтероидов человека MHC-II в эпителии кишечника .Фронт Иммунол 10: 1970

    CAS Статья Google Scholar

  • 127.

    Kraiczy J, Nayak K, Ross A, Raine T., Mak TN, Gasparetto M, Cario E, Rakyan V, Heuschkel R, Zilbauer M (2016) Оценка метилирования ДНК в развивающемся кишечном эпителии человека: потенциальная связь воспалительному заболеванию кишечника. Mucosal Immunol 9: 647–658. https://doi.org/10.1038/mi.2015.88

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 128.

    Герман Дж. Г., Бейлин С. Б. (2003) Подавление гена при раке в связи с гиперметилированием промотора. N Engl J Med 349: 2042–2054. https://doi.org/10.1056/NEJMra023075

    CAS Статья Google Scholar

  • 129.

    Kraiczy J, Zilbauer M (2019) Органоиды кишечного эпителия как инструменты для изучения эпигенетики здоровья и болезней кишечника. Стволовые клетки Int 2019: 7242415. https://doi.org/10.1155/2019/7242415

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 130.

    Lewis SK, Nachun D, ​​Martin MG, Horvath S, Coppola G, Jones DL (2020) Анализ метилирования ДНК подтверждает, что органоиды являются жизнеспособной моделью для изучения старения кишечника человека. Cell Mol Gastroenterol Hepatol 9: 527–541. https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2019.11.013

    Статья PubMed Google Scholar

  • 131.

    Джоши Р., Кастро де Моура М., Пиньейро Д., Альварес-Эррико Д., Аррибас С., Эстеллер М. (2020) Пейзаж метилирования ДНК органоидов рака человека, доступный в американской коллекции типовых культур.Эпигенетика 15: 1167–1177. https://doi.org/10.1080/155

  • .2020.1762398

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 132.

    Rubio LA (2019) Возможности программирования раннего возраста у цыплят-бройлеров посредством модуляции кишечной микробиоты. Poult Sci 98: 695–706. https://doi.org/10.3382/ps/pey416

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 133.

    Ji Y, Wu Z, Dai Z, Wang X, Li J, Wang B, Wu G (2017) Плодовое и неонатальное программирование послеродового роста и эффективности кормления свиней. J Anim Sci Biotechnol 8:42. https://doi.org/10.1186/s40104-017-0173-5

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 134.

    Kar SK, Jansman AJM, Boeren S, Kruijt L, Smits MA (2016) Белок, пептид, аминокислотный состав и потенциальные функциональные свойства существующих и новых источников диетического белка для моногастриков.J Anim Sci 94: 30–39. https://doi.org/10.2527/jas.2015-9677

    CAS Статья Google Scholar

  • 135.

    Rosch C, Taverne N, Venema K, Gruppen H, Wells JM, Schols HA (2017) Влияние ферментации in vitro бета-глюкана ячменя и пектина сахарной свеклы с использованием инокулята фекалий человека на экспрессию цитокинов дендритными клетками . Mol Nutr Food Res 61: 1600243. https://doi.org/10.1002/mnfr.201600243

    CAS Статья Google Scholar

  • 136.

    Jansman AJM (2016) Здоровье и функции желудочно-кишечного тракта у свиней: влияние функциональных ингредиентов и обработки кормов и ингредиентов. J Anim Sci 94: 12–21. https://doi.org/10.2527/jas.2015-9886

    CAS Статья Google Scholar

  • 137.

    Годдард М.Э., Хейс Б.Дж. (2009) Картирование генов сложных признаков у домашних животных и их использование в программах разведения. Нат Рев Генет 10: 381–391. https://doi.org/10.1038/nrg2575

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 138.

    Meuwissen TH, Hayes BJ, Goddard ME (2001) Прогнозирование общей генетической ценности с использованием плотных карт маркеров для всего генома. Генетика 157: 1819–1829

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 139.

    Knol EF, Nielsen B, Knap PW (2016) Геномная селекция в коммерческом разведении свиней. Аним Фронт 6: 15–22. https://doi.org/10.2527/af.2016-0003

    Статья Google Scholar

  • 140.

    Харлициус Б., Матур П., Кнол Э.Ф. (2020) Селекция для устойчивости: новые возможности в современной программе свиноводства. J Anim Sci 98: S150 – S154. https://doi.org/10.1093/jas/skaa141

    Статья PubMed Google Scholar

  • 141.

    Veerkamp R (2013) Выбор по потреблению корма или эффективности корма: документ с изложением позиции из обсуждения целей селекции gDMI. В: Встреча Interbull 2013, том 47. Open Journal Systems (OJS)

  • 142.

    Augustyniak J, Bertero A, Coccini T, Baderna D, Buzanska L, Caloni F (2019) Органоиды являются многообещающими инструментами для видоспецифичных токсикологических исследований in vitro. J Appl Toxicol 39: 1610–1622. https://doi.org/10.1002/jat.3815

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 143.

    Park S-H, Moon Y (2020) Биотест на основе энтероцитов путем количественной комбинации провоспалительных индикаторов, специфичных для 8-кето-трихотеценов.Фронт Иммунол 11: 1530

    CAS Статья Google Scholar

  • 144.

    Forsythe SD, Devarasetty M, Shupe T, Bishop C, Atala A, Soker S, Skardal A (2018) Скрининг токсинов в окружающей среде с использованием человеческих трехмерных биоинженерных органоидов печени и сердца. Front Public Health 6: 103

    Статья Google Scholar

  • 145.

    Sala FG, Kunisaki SM, Ochoa ER, Vacanti J, Grikscheit TC (2009) Тонкая кишка и желудок, полученные с помощью тканевой инженерии, формируются из аутологичной ткани в доклинической модели крупных животных.J Surg Res 156: 205–212. https://doi.org/10.1016/j.jss.2009.03.062

    Статья PubMed Google Scholar

  • 146.

    Miyazawa M, Torii T, Toshimitsu Y, Okada K, Koyama I, Ikada Y (2005) Искусственный желчный проток с тканевой инженерией, выросший так, чтобы он напоминал естественный желчный проток. Am J Transplant 5: 1541–1547. https://doi.org/10.1111/j.1600-6143.2005.00845.x

    Статья PubMed Google Scholar

  • 147.

    Эльчин Ю.М., Диксит В., Левин К., Гитник Г. (1999) Ксенотрансплантация эмбриональных гепатоцитов свиньи крысам с использованием подхода тканевой инженерии. Искусственные органы 23: 146–152. https://doi.org/10.1046/j.1525-1594.1999.06222.x

    Статья PubMed Google Scholar

  • 148.

    Funatsu K, Ijima H, Nakazawa K, Yamashita Y, Shimada M, Sugimachi K (2001) Гибридная искусственная печень с использованием органоидной культуры гепатоцитов. Искусственные органы 25: 194–200.https://doi.org/10.1046/j.1525-1594.2001.025003194.x

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 149.

    Мизумото Х., Фунацу К. (2004) Регенерация печени с использованием гибридной системы искусственной поддержки печени. Искусственные органы 28 (1): 53–57. https://doi.org/10.1111/j.1525-1594.2004.07326.x

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 150.

    Hochleitner B, Hengster P, Duo L, Bucher H, Klima G, Margreiter R (2005) Новая биоискусственная печень с культурой агрегатов гепатоцитов свиньи в условиях имитации микрогравитации.Искусственные органы 29: 58–66. https://doi.org/10.1111/j.1525-1594.2004.29014.x

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 151.

    Исии Ю., Сайто Р., Марушима Х, Ито Р., Сакамото Т., Янага К. (2008) Реконструкция печени из эмбриональных клеток печени свиньи с использованием биореактора с радиальным потоком. World J Gastroenterol 14: 2740–2747. https://doi.org/10.3748/wjg.14.2740

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 152.

    Janssen DAW, Geutjes PJ, Odenthal J, van Kuppevelt TH, Schalken JA, Feitz WFJ, Heesakkers J (2013) Новая, простая ex vivo модель органоидной слизистой оболочки мочевого пузыря для доклинических исследований. Дж. Урол 190: 341–349. https://doi.org/10.1016/j.juro.2012.12.103

    Статья PubMed Google Scholar

  • 153.

    Mingone CJ, Gupte SA, Chow JL, Ahmad M, Abraham NG, Wolin MS (2006) Генерация протопорфирина IX из дельта-аминолевулиновой кислоты вызывает релаксацию легочной артерии и активацию растворимой гуанилатциклазы.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 291: L337 – L344. https://doi.org/10.1152/ajplung.00482.2005

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 154.

    Neo BH, Kandhi S, Wolin MS (2010) Роли растворимой гуанилатциклазы и димеризации субъединицы протеинкиназы G, вызванной окислением тиола, в релаксации легочной артерии до перекиси водорода. Am J Physiol Heart Circ Physiol 299: h2235 – h2241. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00513.2010

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 155.

    Neo BH, Kandhi S, Wolin MS (2011) Роли окислительно-восстановительных механизмов, контролирующих протеинкиназу G в ответах легочной и коронарной артерии на гипоксию. Am J Physiol Heart Circ Physiol 301: h3295 – h3304. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00624.2011

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 156.

    Patel D, Alhawaj R, Kelly MR, Accarino JJO, Lakhkar A, Gupte SA, Sun D, ​​Wolin MS (2016) Потенциальная роль митохондриального супероксида, снижающего феррохелатазу и гем в истощении растворимой гуанилатциклазы в коронарной артерии под действием ангиотензина II. Am J Physiol Heart Circ Physiol 310: h2439 – h2447. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00859.2015

    Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 157.

    Kandhi S, Neo BH, Wolin M (2011) Культура органоидов коронарных артерий крупного рогатого скота изменяет реакцию на гипоксию с расслабления на сокращение, связанное с изменениями механизмов, контролирующих протеинкиназу G.Фасеб Дж 25: 1102

    Google Scholar

  • 158.

    Ирие Й., Мизумото Х., Фуджино С., Кадзивара Т. (2008) Разработка трансплантатов суставного хряща с использованием методов формирования органоидов. Transplant Proc 40: 631–633. https://doi.org/10.1016/j.transproceed.2008.01.024

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 159.

    Mizuno S, Takada E, Fukai N (2015) Сфероидальные органоиды воспроизводят характеристики зон продольной глубины в суставном хряще крупного рогатого скота.Клетки и ткани органов 202: 382–392. https://doi.org/10.1159/000447532

    CAS Статья Google Scholar

  • 160.

    Rusu D, Loret S, Peulen O, Mainil J, Dandrifosse G (2005) Иммунохимическая, биомолекулярная и биохимическая характеристика примокультур бычьего эпителия кишечника. BMC Cell Biol 6:42. https://doi.org/10.1186/1471-2121-6-42

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 161.

    Podbesek R, Hamilton JW, Macgregor RR (1984) Чувствительные к кальцию органоидные культуры клеток паращитовидной железы крупного рогатого скота. Интеллектуальная кальцинированная ткань 36: 506–506

    Google Scholar

  • 162.

    Ridgeway RD, Hamilton JW, MacGregor RR (1986) Характеристики органоидов бычьих паратироидных клеток в культуре. Vitro Cell Dev Biol 22: 91–99. https://doi.org/10.1007/bf02623538

    CAS Статья Google Scholar

  • 163.

    Bansal DD, Macgregor RR (1990) Секреция активатора плазминогена из клеток паращитовидной железы крупного рогатого скота. Эндокринология 126: 2245–2251. https://doi.org/10.1210/endo-126-5-2245

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 164.

    Хинтон Д.А., Бансал Д.Д., Макгрегор Р.Р. (1994) Влияние инсулина и кальция на транскрипцию генов паратироидного гормона в органоидах паращитовидной железы крупного рогатого скота. Эндокринная 2: 411–417

    CAS Google Scholar

  • 165.

    Ritter CS, Slatopolsky E, Santoro S, Brown AJ (2004) Клетки паращитовидной железы, культивируемые в коллагеновой матрице, сохраняют чувствительность к кальцию: важность трехмерной архитектуры ткани. J Bone Miner Res 19: 491–498. https://doi.org/10.1359/jbmr.2004.19.3.491

    Статья PubMed Google Scholar

  • 166.

    Ritter CS, Pande S, Krits I, Slatopolsky E, Brown AJ (2008) Дестабилизация мРНК паратироидного гормона внеклеточным Ca2 + и кальцимиметическим R-568 в паратироидных клетках: роль цитозольного Ca и потребность в гене транскрипция.J Mol Endocrinol 40: 13–21. https://doi.org/10.1677/jme-07-0085

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 167.

    Agopian VG, Chen DC, Avansino JR, Stelzner M (2009) Трансплантация органоидов кишечных стволовых клеток приводит к образованию новых слизистой оболочки у собак. J Gastrointest Surg 13: 971–982. https://doi.org/10.1007/s11605-009-0806-x

    Статья PubMed Google Scholar

  • Принципы конструирования органоидов на основе плюрипотентных стволовых клеток

    Морфогенез человека — это сложный процесс, включающий различные микросредовые и физические сигналы, которые манипулируют в пространстве и времени, чтобы дать начало сложным тканям и органам.Достижения в технологии плюрипотентных стволовых клеток (PSC) способствовали воссозданию in vitro процессов, участвующих в морфогенезе человека. Разработка органоидов из человеческих PSCs представляет собой один надежный источник для моделирования широкого спектра заболеваний человека, а также многообещающий подход к скринингу лекарственных средств и токсикологическим тестам. На основе способности стволовых клеток к «самоорганизации» были созданы различные органоиды, происходящие из ПСХ; однако сообщалось о значительных различиях между органоидами in vitro, полученными из PSC, и их in vivo аналогами .Достижения в области биоинженерии позволили манипулировать различными компонентами, включая клеточные и неклеточные факторы, чтобы лучше имитировать микросреду in vivo . В этом обзоре мы сосредоточимся на различных примерах биоинженерных подходов, используемых для содействия самоорганизации стволовых клеток, включая сборку, формирование паттерна и морфогенез in vitro , способствующих формированию тканеподобных структур.

    1. Введение

    Применение концепции биомимикрии, определяемой как имитация биологических систем, способствовало значительным инновациям в регенеративной медицине за последние годы.Эта концепция обычно ассоциируется с новыми подходами, направленными на повторение естественной формы или функции, природных процессов или природных систем [1, 2]. В области биоинженерии были предприняты усилия для имитации естественных форм и функций человеческого тела in vitro , от молекулярного до клеточного уровня, в попытке воссоздать организм самого высокого уровня сложности.

    Недавно, с открытием способности плюрипотентных стволовых клеток (PSC) координировать различные ключевые сигналы и воспроизводить различные структуры, как это было видно in vivo , включая тканевые и миниорганические структуры, наши знания о развитии человека и морфогенез у здоровых и больных был значительно улучшен [3, 4].При повторении человеческого органогенеза in vitro возникла концепция «органоид». В 1946 году термин «органоид» впервые был использован для обозначения опухолевой массы, выделенной из ткани человека [5]. Впоследствии все тканевые массы, полученные в результате трансплантатов, были определены как «органоиды» [6, 7], и концепция эволюционировала, чтобы включить культуры, которые были созданы в результате диссоциации и агрегации клеток животного и тканевого происхождения [8–10]. С недавними достижениями в культуре размножения ПСХ человека и прямой дифференциации определение «органоида» следовало той же эволюции, в настоящее время относящейся к многоклеточной структуре in vitro 3D, содержащей различные типы клеток с самоорганизацией, как это обычно наблюдается в тканях человека. происходит из стволовых клеток [2].Часто органоиды имеют сферическую или неправильную форму в суспензии или встроены в различные типы матриц [11].

    Для воссоздания функциональной и структурной мимикрии в органоиде требуется минимальное количество дизайнерских компонентов, вдохновленных исходной биологической системой. К ним относятся клеточные и неклеточные параметры, такие как тип клетки, микросреда и физические параметры, а также результирующие внутренние и внешние взаимодействия, такие как клетка-клетка, клеточный матрикс и клетка-микроокружение [12].Конечная цель состоит в том, чтобы восстановить некоторые особенности тканей человека, в частности наличие различных типов клеток, чтобы повторить многоклеточную гетерогенность, и контролировать микросреду для воссоздания высокого уровня организации, способствуя созреванию органоидов для достижения функциональности ткани [11] . Таким образом, применение биоинженерных стратегий для манипулирования клеточными и неклеточными компонентами может стать мощным инструментом для управления трехмерным морфогенезом органоидов человека.

    Значительный прогресс в создании органоидов предоставил возможность использовать эти новые платформы для понимания человеческого развития и сложных процессов, вовлеченных в органогенез.Использование органоидов при скрининге лекарств и токсикологическом тестировании может также повысить безопасность и эффективность лекарств до того, как они дойдут до клинических испытаний, что сделает процесс разработки лекарств более рентабельным. Наконец, органоиды, полученные из болезни, также могут предложить ценную платформу для изучения механизмов, участвующих в проявлении болезни, и определения возможных терапевтических целей.

    Здесь мы рассматриваем различные биоинженерные подходы к управлению фиксацией стволовых клеток и дальнейшей самоорганизации клеток, повторяя морфогенез ткани in vitro .Во-первых, способность клеток к самоорганизации исследуется на основе взаимодействий клетка-клетка и клетка-матрица. Впоследствии, поскольку самоорганизация основана на трех различных связанных с клетками способностях, включая самосборку, формирование паттерна и самоморфогенез, мы выделяем примеры биоинженерных методологий для контроля начального состояния и пространственно-временного позиционирования клеток и, наконец, , рост и ремоделирование многоклеточных агрегатов для достижения сложных структур (Таблица 1).

    избирательное 3D-печать 101 9387 4 [102–110, 112, 113, 189] 938 ECM 9 3861

    Контроль самоорганизации Самосборка Подходы без лесов Метод подвешивания [73–77]
    с V-образным дном и круглым V-образным дном многолуночные планшеты
    Микролунки
    Каркас для наложения внешней и внутренней архитектуры Нанотопография Электропрядение [88]
    Электронно-лучевое травление
    Сопло [93, 94, 96, 188]
    Лазер
    Струйный
    Манипуляции со сборкой органоидов Сборка клеток, запрограммированная ДНК [100,
    3D биопечать Струйная биопечать
    Микроэкструзионные системы
    Лазерные методы прямой записи
    Самофигурация и самоморфогенез Пространственно-временной контроль механических сигналов Пептиды адгезии [146–148]
    Пептидные субстраты
    Комбинированные гидрогели
    ДНК-направленная сборка единиц с контролируемой формой [14968
    [150, 151]
    pH-опосредованное формирование паттерна [152]
    Супрамолекулярные взаимодействия «хозяин-гость» [153]
    Ферментативная реакция-опосредованное формирование паттерна []
    Пространственно-временной контроль диффузии морфогенов Формирование опосредованного светом паттерна [160, 161]
    Микрожидкостные системы [163, 167]
    Микро / наночастицы [170–172]

    2.Самоорганизация органоидов, производных PSC

    Способность человеческих PSC продуцировать высокоорганизованные структуры, воспроизводящие черты, сходные с эмбриональными и взрослыми тканями, была впервые обнаружена в тератомах, образованных после инъекции человеческих эмбриональных стволовых клеток (ESC) в иммунную систему. -дефицитные мыши (обзор в [13]). Способность к «самоорганизации» включает три различные категории: во-первых, контроль относительного положения клеток, называемый «самосборкой»; во-вторых, пространственно-временной контроль клеточной стадии, определяемый как «формирование собственного паттерна»; и, наконец, способность способствовать деформации, росту и ремоделированию, что называется «самоморфогенезом» (Рис. 1) [14].Эта внутренняя способность к организации сильно зависит от физических и морфологических свойств клеток, аутологичных и экзогенных сигналов, которые они получают, а также от механических характеристик системы.


    2.1. Клеточные адгезивные взаимодействия

    Во время эмбриогенеза межклеточные взаимодействия играют решающую роль в динамических изменениях сортировки, расположения и миграции клеток, которые порождают различные морфологии тканей. Силы сцепления между ячейками имеют решающее значение для сборки и организации в трехмерную структуру.Наиболее важный и глобальный механизм клеточных адгезионных взаимодействий опосредуется кадгеринами, которые представляют собой Ca 2+ -зависимые трансмембранные белки, которые облегчают гомофильную межклеточную адгезию своими внеклеточными доменами, тогда как внутриклеточный домен взаимодействует со своими партнерскими белками, катенинами. (рассмотрено в [15]). После клеточной адгезии образуется белковый комплекс, состоящий из полипептида катенина α -, β — или γ -катенинов (обзор в [16]).Впоследствии α -катенин опосредует физическое взаимодействие с актиновым цитоскелетом, демонстрируя, что кадгерины также могут направлять якорение цитоскелета клеток [17, 18]. Различные кадгерины экспрессируются в разных тканях, и наиболее изученными являются классические кадгерины позвоночных, включая N-кадгерин, высоко экспрессируемый в нейрональной ткани [19, 20], и E-кадгерин, в основном экспрессируемый в эпителиальных клетках [21]. Неклассические кадгерины могут быть обнаружены в других тканях человека, например, VE-кадгерин, который представляет собой кадгерин эндотелия сосудов [22], и R-кадгерин, экспрессируемый в ткани сетчатки [19].

    Во время морфогенеза различные механизмы с участием кадгеринов, по-видимому, влияют на сортировку клеток и, следовательно, изменяют пространственную организацию клеток. Экспрессия разных типов кадгеринов в разных типах клеток способствует избирательному распознаванию и соединению клеток, экспрессирующих один и тот же тип кадгерина, что приводит к сортировке и разделению клеток на разные ткани [23-25]. Например, экспрессия N-кадгерина в нервных клетках позволяет отделиться от эпителиальных клеток, которые экспрессируют E-кадгерин (рис. 2 (а)) [26].В других случаях, независимо от экспрессии типа кадгерина, также наблюдается сортировка клеток на основе дифференциальных уровней экспрессии кадгерина [25, 27, 28]. Эпителиально-мезенхимальный переход (EMT), обратный эпителизации, является ярким примером способности клеток к самосборке, опосредованной экспрессией и регуляцией кадгерина (Figure 2 (b)) [29]. Этот процесс достигается за счет изменения межклеточного контакта и стимулирования миграции клеток. В частности, E-кадгерин подавляется во время перехода в мезенхимальное состояние, что приводит к снижению межклеточных взаимодействий [30, 31].Одновременно наблюдается изменение клеточных сигнальных профилей и ремодуляция цитоскелета, что делает возможной миграцию клеток (см. Обзор [32]).

    Кроме того, другие физиологические факторы, которые взаимодействуют с кадгерин-опосредованной передачей сигналов, могут влиять на сортировку клеток независимо от экспрессии кадгерина. Во время развития создается передне-задняя ось, ведущая к образованию границ компартментов. Хотя эпителиальные клетки экспрессируют высокие уровни E-cadherin, наблюдается избирательная адгезия, создающая разные границы в ответ на передачу сигналов Hedgehog (Hh) [33, 34].Активация экспрессии Hh в задних клетках ведет к диффузии сигналов через передне-заднюю границу, которые определяют сортировку некоторых передних клеток рядом с границей, которые не способны принимать Hh и сортируются в сторону задней области [34]. Кроме того, динамическое регулирование адгезии кадгерина может управлять перестройкой и миграцией клеток. Разрывая и реформируя адгезивные связи кадгерина, сходящиеся движения разгибания вносят вклад в морфогенез ткани, изменяя локальное расположение клеток по отношению к соседним клеткам [35, 36].

    Помимо важной функции кадгеринов во время морфогенеза, уже была продемонстрирована их критическая роль в образовании клеточных агрегатов и дальнейшей дифференцировке. Путем ингибирования адгезии, опосредованной E-cadherin, предотвращается агломерация ESCs в клеточных агрегатах, а также их дифференцировка [37-39]. Следовательно, были созданы технологии для контроля дифференцировки стволовых клеток путем манипулирования межклеточными взаимодействиями. Напр., Поверхностная инженерия путем иммобилизации кадгеринов была использована для манипулирования сигнальными путями, опосредованными кадгерином, и, таким образом, управления решениями о судьбе стволовых клеток [40, 41].Более того, было продемонстрировано, что не только иммобилизация кадгеринов опосредует дифференцировку стволовых клеток, но взаимодействие с соседними клетками также играет важную роль в формировании паттерна определенных типов клеток. Включение определенных клеток-предшественников позволяет добавлять специфические межклеточные взаимодействия, которые имитируют условия in vivo и манипулируют процессами дифференцировки. Например, совместное культивирование с подобранными по органам мезенхимальными клетками позволяет пролиферацию клеток-предшественников без дифференцировки, давая начало предшественникам, которые были способны эффективно продуцировать большое количество специфических дифференцированных клеток [42].

    2.2. Взаимодействия клетка-матрица

    Взаимодействия клетка-клетка не только обеспечивают важные сигналы в клеточной нише, но и другие структурные, физические, электрические или биохимические сигналы, присутствующие в сложной микросреде во время эмбрионального развития, также влияют на решения клеточной судьбы (см. Обзор [43]). ). Внеклеточный матрикс (ЕСМ) является важным компонентом, который обеспечивает структурную поддержку клеточной ниши, а также способствует передаче сигналов для миграции, удержания и поляризации клеток [44, 45].ЕСМ состоит в основном из гликозаминогликанов и фиброзных белков, которые секретируются клетками для создания своего собственного физического каркаса (обзор в [43]). Клетки взаимодействуют с молекулами ЕСМ через интегрины, которые являются рецепторами клеточной адгезии, регулирующими клеточное поведение (см. Обзор [46]).

    Интегрины представляют собой семейство гетеродимерных трансмембранных гликопротеинов, где гетеродимеры состоят из нековалентно связанных субъединиц α и β [47]. У позвоночных было описано 24 различных гетеродимера, возникающих в результате различных сборок из 18 α субъединиц и 8 β субъединиц.В зависимости от их субъединичного состава интегрины можно разделить на разные подгруппы. При определенных условиях каждый тип клеток обнаруживает специфическую сигнатуру интегрина, включая подгруппу и количество интегринов (рассмотрено в [48]). Однако это динамический процесс, и как стадия развития, так и условия микросреды могут изменять репертуар интегринов (rev. [49]). В то время как внеклеточный домен интегринов взаимодействует с компонентами внеклеточного матрикса, включая фибронектин, ламинин и коллагены, внутриклеточный домен связывается с цитоскелетными и регуляторными белками, такими как α -актинин, филамин, кальретикулин и цитохезин (см. Обзор [50]). ).Также известно, что один и тот же компонент ECM взаимодействует с разными рецепторами интегрина, и таким же образом конкретный рецептор интегрина может распознавать разные компоненты ECM (rev. [48]).

    Роль интегринов во время эмбриогенеза была тщательно изучена, и накопленных к настоящему времени данных уже достаточно, чтобы сделать интегрины важными участниками оплодотворения, миграции клеток при гаструляции, адгезии при имплантации эмбриона и образования различных систем органов, таких как нервная система (см. обзор [50]).Кроме того, уже было показано, что состав ECM способен влиять на поведение ESC в развитии трехмерных структур, а также на их дифференциацию. Например, сообщалось, что фибронектин сильно стимулирует дифференцировку эндотелиальных и сосудистых клеток, в то время как ламинин способствует образованию бьющихся кардиомиоцитов [51]. Матрица, которая наиболее часто используется для дифференциации ПСХ и генерации различных типов органоидов, представляет собой матригель, который представляет собой студенистую белковую смесь, экстрагированную из клеток саркомы мыши Engelbreth-Holm-Swarm [52, 53], склонных к вариациям от партии к партии. .Есть несколько исследований, которые пытаются выяснить точный механизм, с помощью которого матригель поддерживает развитие органоидов. Хотя манипулирование передачей сигналов интегрина для управления судьбой стволовых клеток все еще очень сложно, некоторые группы изучали участие конкретных интегринов в дифференцировке PSC, уделяя особое внимание идентификации компонентов ECM, напрямую взаимодействующих с конкретной подгруппой интегринов и способствующих селективной энтодерме [ 54], дифференцировка мезодермы [55] или эктодермы [56].

    В дополнение к этим химическим сигналам от ECM, механические и физические стимулы, такие как пористость и жесткость, также оказывают свое влияние на клеточную приверженность [57].Жесткость матрикса может ощущаться клетками через механорецепторы, которые также включают интегрины, регулирующие клеточное поведение (см. Обзор [58]). В то время как промежуточная жесткость субстрата способствует энтодермальному происхождению, более мягкие субстраты образуют эктодермальные ткани [59]. Также было продемонстрировано, что мезодермальная дифференцировка очень чувствительна к механическим свойствам ECM [60]. В то время как мягкие субстраты усиливают приверженность мезодерме, жесткие матрицы индуцируют только минимальную дифференцировку мезодермы [60].В этом последнем исследовании авт. Показали, что на мягком субстрате человеческие ESCs представляют накопление β -catenin в межклеточных адгезиях, что ведет к усилению передачи сигналов WNT и последующей WNT-зависимой дифференцировке мезодермы. Напротив, жесткие материалы способствуют интегрин-зависимой деградации β -catenin и, таким образом, ингибируют обязательство мезодермы [60]. Таким образом, играя с биохимическими компонентами ECM, а также с его механическими и физическими параметрами, можно управлять пролиферацией и дифференцировкой клеток в трехмерных микросредах.

    2.3. Нарушение симметрии

    Нарушение симметрии — это ключевой феномен в развитии животных, который предшествует формированию паттерна, позволяя формировать более высокую морфологическую и функциональную специализацию. In vivo , симметрия нарушается на уровне отдельной клетки, где клеточный цитоскелет и связанные с мембраной белки перераспределяются для создания апикобазальной полярности (рис. 3 (а)). Например, в то время как интегрины накапливаются на базальной стороне клетки, кольцо актиновых филаментов формируется на апикальной стороне.Сокращение актинового кольца может управлять апикальным сужением, приводящим к изменению формы клеток и изгибу эпителиального листа (rev. [61, 62]). Кроме того, нарушение симметрии также происходит на многоклеточном уровне, как это видно на ранних эмбрионах мыши. Это морфологическое событие, называемое уплотнением, превращает эмбрион из рыхлого кластера сферических неполяризованных клеток в плотно упакованную массу, в которой межклеточные контакты усиливаются и достигается поляризация клеток (Рисунок 3 (а)). В процесс уплотнения вовлечены несколько механизмов: межклеточные адгезивные взаимодействия, включая перераспределение E-кадгерина; корковое напряжение, вызванное сократимостью актомиозиновой сети, определяющей форму клеток; и удлинение длинных выступов мембраны (см. обзоры [63, 64]).

    Точные молекулярные и физические особенности, а также точное время, в которое происходит нарушение симметрии, все еще плохо изучены. Некоторые события, по-видимому, являются клеточно-автономными, в зависимости от асимметричной экспрессии генов в эмбриональных клетках, а другие, по-видимому, вызываются градиентами морфогенов. Фактически, нарушение симметрии может быть достигнуто с помощью изначально однородного распределения морфогенов, которое может превращаться в градиент концентрации из-за реакции-диффузии [65]. В модели реакции-диффузии способность клеток к самоорганизации приводит к нарушению симметрии, активируемому стохастическим возмущением системы без требования доминирующего «основного фактора» [66].Следовательно, характеристики клеток, включая экспрессию генов и полярность клеток, а также локальные взаимодействия между клетками могут сами по себе нести ответственность за создание клонов. Опубликованные исследования уже продемонстрировали, что однородная совокупность стволовых клеток способна образовывать высокий уровень организации, сравнимый с тем, что наблюдается в нативных тканях [67–69]. Некоторые модели органоидов с минимальной, но достаточной сложностью способны подвергаться спонтанному нарушению симметрии в отсутствие пространственных сигналов.В этом случае создается определенный паттерн, включающий рострально-каудальную поляризацию в кортикальных органоидах [67], передне-заднее формирование паттерна в трехмерных гаструлоидах [68, 70, 71] и формирование дорсально-вентрального паттерна в органоидах нервной трубки [69, 72] . Следовательно, события нарушения симметрии могут быть достигнуты in vitro путем добавления одного морфогена, с помощью механизма диффузии-реакции или с помощью более сложных биоинженерных подходов для создания нарушения симметрии на основе локальной доставки морфогена (рис. 3 (b)). .

    3. Управляемая сборка PSC

    Генерация органоидов начинается с продвижения сборки PSC в трехмерную структуру. Подобно человеческому эмбриону, самое раннее решение клеточной судьбы основывается на пространственной ориентации клеток (rev. [64]). Следовательно, методики контроля расположения клеток во время начальной сборки органоидов могут влиять на дальнейшую индукцию морфогенеза. Процесс сборки может быть достигнут на основе свойств самосборки клеток в подходе тканевой инженерии без каркасов или с помощью различных стратегий биоинженерии для направления и контроля расположения клеток.

    3.1. Подходы без каркасов

    Генерация органоидов без каркасов основана на свойстве «самоорганизации» стволовых клеток, при котором клетки обладают способностью собираться в трехмерную структуру. Различные методологии были применены для формирования трехмерных агрегатов PSC, причем формирование эмбриоидных тел (ЭТ) методом висящей капли было первым, которое было использовано для производства гомогенных клеточных агрегатов. Этот метод основан на силе силы тяжести, заставляющей клетки агрегироваться, и заключается в создании небольших капель среды с клетками, подвешенными на крышке [73].Чтобы преодолеть ограничения манипуляции, которые могут нарушить работу EB, этот метод был адаптирован для многолуночных планшетов с V-образным и круглым дном, в которых клетки вынуждены быстро агрегировать посредством приложения силы вращения [74]. Однако эта методология не позволяет избежать индивидуальных манипуляций с агрегатами клеток. Таким образом, различные микролунки, изготовленные литографическими методами, были использованы для одновременного создания от 100 до 1000 клеточных агрегатов путем центрифугирования, что позволило расширить масштабы метода многолуночных планшетов [75–77].Кроме того, микрофлюидные каналы также использовались для непрерывного образования клеточных агрегатов, являясь мощным инструментом для приложений с высокой пропускной способностью [78].

    В этих методологиях без каркасов наиболее важным параметром, который необходимо контролировать, является размер сгенерированных агрегатов. Было продемонстрировано, что размер клеточной ниши влияет на траектории дифференцировки из-за его влияния на параметры микроокружения, включая пространственный градиент растворимых молекул и взаимодействия клетка-клетка и клетка-матрица [79, 80].Таким образом, поскольку вариации числа клеток транслируются в различные размеры агрегатов, контроль размера агрегатов клеток может влиять на сигнальные пути, ведущие к более эффективной фиксации и дифференцировке. Фактически, различные исследовательские группы оптимизируют совокупный диаметр для улучшения мезодермы или нейроэктодермальной индукции, достигая более высоких выходов сердечных и нейрональных клеток [81–83].

    Совсем недавно Xie et al. сообщили, что не только размер клеточных агрегатов может влиять на дифференцировку в разные клоны, но также и на кинетику самосборки.Исследование показало, что кинетика агрегации изменяет структуру EB; в частности, более медленная кинетика приводила к образованию EB с более высокой пористостью, что облегчало воздействие на клетки факторов роста. В конечном счете, более быстрая агрегация, по-видимому, способствует приверженности эктодерме, тогда как более медленная агрегация способствует мезоэндодермальной дифференцировке [84].

    3.2. Каркасы для наложения внешней и внутренней архитектуры

    Клеточная организация внутри инженерной ткани включает сборку клеток в определенную структуру для имитации архитектуры естественной ткани.Для имитации физических и биохимических свойств in vivo тканевого микроокружения можно использовать различные матрицы, в том числе из природных источников или искусственно синтезированные. Определенная архитектура может быть наложена извне, используя различные подходы к манипулированию формой ткани, такие как формы и каркасы. Например, микроконтактная печать может создавать различные формы из разных материалов, таких как агароза, полидиметилсилоксан или полиакриламид, с минимальными адгезионными свойствами, только чтобы заставить клетки агрегироваться и приобретать определенную форму [85, 86].Кроме того, этот метод может быть использован для введения некоторой функционализации путем прямого депонирования белков или компонентов ECM на частично полимеризованный субстрат [87]. Кроме того, контроль формы, размера, пространства и организационной симметрии наноразмерных элементов в различных биоматериалах был достигнут с помощью различных стратегий нанолитографии. Среди различных подходов к нанотопографии электроспиннинг позволяет формировать нановолокнистые подложки из природных или синтетических полимеров, в то время как электронно-лучевое, селективное травление и наноимпринтинг используются для создания наноямок, наностолбиков или наноканалов на различных материалах.Применяя эти различные подходы, можно достичь естественных размеров волокон базальной мембраны и размеров пор, что позволяет имитировать пористость естественного ECM (обзор в [88]).

    Каркасы, используемые для придания внешней формы и имитации естественного ECM, в большинстве случаев имеют фиксированную морфологию. Однако человеческое развитие начинается на микромасштабе, и для достижения окончательного морфогенеза должны произойти значительные морфологические изменения. Следовательно, очень важно попытаться динамически контролировать морфологию органоидов, чтобы достичь правильной тканеподобной организации.Применение различных типов гидрогелей позволило улучшить контроль трехмерной микромасштабной морфологии органоидов. Гидрогели представляют собой гидрофильные трехмерные полимерные сети природного или синтетического происхождения, которые нерастворимы из-за наличия химических или физических поперечных связей [89, 90]. Внутренней структурой гидрогеля можно управлять с помощью различных методов, включая 3D-печать [91] и жертвенное формование [92], которые, возможно, могут регулировать морфологию генерируемых структур.

    В последние годы были внесены значительные улучшения в механические характеристики и функциональность при 3D-печати гидрогелей. Сообщается о различных методах 3D-печати из гидрогелевых композитов, которые позволяют изготавливать сложные и гибко настраиваемые структуры каркасов, включая системы 3D-печати на основе сопел, лазеров и струйных принтеров (обзор см. В [93]). Трехмерная печать на основе сопла является наиболее часто используемым подходом, при котором вязкие жидкости или расплавленные полимеры вынуждены выдавливаться из сопла, шприца или отверстия, чтобы последовательно построить трехмерную структуру на основе заранее заданного пути, созданного компьютерным моделированием.Недавно Hinton et al. сообщили об адаптируемой и экономичной 3D-печати на основе сопел, называемой обратимым внедрением суспендированных гидрогелей произвольной формы (FRESH), в которой используется термообратимая поддерживающая ванна для осаждения гидрогелей. Основываясь на данных трехмерной визуализации целых органов, FRESH может печатать каркасы со сложной внутренней и внешней архитектурой, включая трехмерную CAD-модель эмбрионального сердца [94], демонстрируя ценную применимость в органогенезе. Кроме того, системы трехмерной печати на основе лазера также способны создавать трехмерные структуры в фотообрабатываемых гидрогелях под воздействием лазерной энергии, обычно ультрафиолетового света, в определенные узоры [95].Наконец, струйная печать — это метод бесконтактной печати, используемый для создания капель чернил на материальной платформе (см. [96]). Несмотря на то, что биологические молекулы и структуры хрупки и чувствительны, этот подход кажется подходящим для введения биологической модификации в сгенерированные каркасы, поскольку он уже успешно использовался для переноса биомолекул, таких как нуклеиновые кислоты, на твердые носители [97].

    Миллер и др. были первыми, кто сообщил о создании цилиндрических сетей в различных гидрогелях с использованием трехмерных нитей из углеводного стекла в качестве жертвенного шаблона [92].Таким образом, они смогли сформировать сосудистые сети в трехмерные тканевые конструкции путем формования каналов. После этого исследования этот метод жертвенного формования также использовался другими группами для создания внутренних полостей от микро- до макромасштабных размеров в различных гидрогелевых материалах путем применения различных форм, включая матрицы из альгината кальция и поливинилового спирта (PVOH) [98, 99] . Вкратце, метод жертвенного формования основан на заключении растворимого или разлагаемого материала во второй гидрогелевый материал.После образования композитного гидрогеля внутренний жертвенный материал удаляется и создается гидрогель с определенной внутренней архитектурой. Эта манипуляция внутренней архитектурой в гидрогелях обеспечивает важный инструмент не только для создания васкуляризованных тканей, но и для инкапсуляции органоидов, в которой внутренние пространства позволяют росту, деформации и ремоделированию органоидов для создания определенной морфологии.

    3.3. Подходы биоинженерии к манипулированию сборкой органоидов

    Несколько подходов биоинженерии были применены для управления сборкой клеток с целью достижения желаемого расположения клеток и формы органоидов.В 2015 году Todhunter et al. сообщили о ДНК-запрограммированной сборке клеток (DPAC), в которой запрограммированы размер, форма, состав и пространственная неоднородность, тем самым воссоздавая многоклеточную организацию органоидов [100]. В DPAC субстраты с 2D-структурой ДНК используются для управления клеточной организацией путем представления дополнительных олигонуклеотидов, модифицированных липидами. После этой запрограммированной сборки выполняется обработка ДНКазой для высвобождения хорошо организованного клеточного агрегата с последующей инкапсуляцией в гели ECM [100, 101].

    Как ранее описано для изготовления каркасных структур, методы 3D-печати также применялись для управления сборкой ячеек путем осаждения одного или нескольких типов ячеек с различными поддерживающими матрицами. Этот тип методологии биопечати включает различные подходы, такие как струйная биопечать, системы микроэкструзии и методы прямой записи на основе лазера, в которых применяются различные методы срабатывания (см. Обзор [102]). В струйной биопечати используются два разных метода срабатывания: пьезоэлектрический и тепловой, при этом для приготовления капель жидкости используются либо акустические волны, либо тепловые силы соответственно.В то время как в тепловом подходе достигается переменный размер капель, в пьезоэлектрической технологии генерируются регулярные и равные размеры [103, 104]. Это недорогая технология с высоким разрешением и скоростью печати; однако у него есть некоторые ограничения в отношении типа материалов, которые можно печатать. Хотя некоторые термические и механические нагрузки могут быть подвергнуты клеткам, эта технология уже была успешно применена для печати различных клеток млекопитающих с жизнеспособностью выше 85% [104].С другой стороны, метод микроэкструзии произошел от модификации струйных принтеров, которые представляют собой роботизированные устройства, работающие под давлением, которые могут экструдировать нагруженные клетками гидрогели путем пневматического или механического дозирования на подложку (обзор [105, 106]). Хондроциты человека и остеогенные предшественники в комбинации с альгинатным гидрогелем уже были экструдированы с использованием пневматического дозатора шприца, что продемонстрировало способность создавать трехмерные структуры с высокой жизнеспособностью клеток [107].

    Лазерная техника прямой записи является наиболее часто применяемой технологией биопечати.В этом методе используется лазерный луч, который фокусируется на поддерживающем слое, лежащем под клеткой, содержащей матрицу на донорской печатной ленте, вызывая ее быстрое улетучивание и позволяя клетке переноситься на соседнюю локализованную принимающую подложку (обзор в [108]). Сообщалось о высокой жизнеспособности клеток при использовании этого метода из-за низкого напряжения сдвига, а его высокое разрешение позволяет осаждать отдельные клетки, давая трехмерные клеточные конструкции без каркаса [109]. Для клеточных применений наиболее распространенными лазерными методами являются биологическая лазерная обработка (BioLP), прямая запись с использованием импульсного лазерного испарения с использованием матрицы (MAPLE-DW), лазерно-индуцированный прямой перенос (LIFT), поглощающий лазер с пленочным покрытием. индуцированный прямой перенос (AFALIFT) и прямая запись с лазерным наведением (LG-DW) (обзор см. в [108]).MAPLE-DW был успешно использован для депонирования паттернов различных типов клеток на матригеле и внутри него, демонстрируя, что пространственная когерентность может быть достигнута [110, 111]. Кроме того, клетки остеосаркомы человека были напечатаны с помощью BioLP и перенесены в матригель, в результате чего была получена трехмерная клеточная конструкция с 95% жизнеспособностью клеток [112]. Позднее этот метод был улучшен, и теперь он достиг 100% жизнеспособных клеток и разрешения отдельных клеток [113]. Таким образом достигается высокий контроль сборки клеток, позволяющий управлять расположением и составом клеток в органоиде с определенной трехмерной микромасштабной морфологией.

    4. Направленное формирование паттерна органоидов и морфогенез

    Знания о сигнальных путях, участвующих в поддержании плюрипотентности, а также генерации различных зародышевых листков, позволили манипулировать и контролировать приверженность ПСХ различным клонам и дальнейшую дифференцировку в конкретные клетки типы. Напр., Обязательство нейроэктодермы легко достигается путем манипулирования передачей сигналов TGF β [114]. Наиболее эффективным методом нейральной индукции от PSCs является двойное SMAD ингибирование передачи сигналов BMP и активина (Рисунок 4), которым противодействуют Noggin и Lefty, соответственно [114, 115].Другие химические антагонисты, такие как дорсоморфин и LDN-1, были использованы для стимулирования ингибирования передачи сигналов BMP, блокируя приверженность к трофэктодерме [115, 116]. Для ингибирования передачи сигналов узлов / активина эффективен химический антагонист SB431542 для предотвращения мезэндодермальной дифференцировки путем блокирования передачи сигналов TGF β [115, 117].


    Напротив, активация двойных регуляторов SMAD, а также передача сигналов WNT, по-видимому, имеют решающее значение для начальной приверженности мезэндодермы, что приводит к Brachyury + (T) / EOMES + / MIXL1 + клетки [118, 119].После индукции мезендодермы, манипулируя уровнями T и EOMES, может быть специфицирована дальнейшая дифференцировка в сторону мезодермы или энтодермы (Рис. 4) [120]. Действие T, по-видимому, важно для судьбы мезодермы, подавляя энтодермальную дифференцировку [120]. С другой стороны, высокие уровни EOMES необходимы для экспрессии маркеров энтодермы (FOXA2 и SOX17) [121]. В то время как активин ведет к развитию популяции с более высокой экспрессией FOXA2, что приводит к спецификации энтодермы, активация WNT генерирует клетки с более низкой экспрессией FOXA2, важной для судьбы мезодермы [122].Интересно, что хотя BMP не требуется для мезендодермы, сам по себе он способен индуцировать развитие популяции с низкой экспрессией FOXA2 [119, 123]. В спецификации мезодермы сигналы WNT и BMP вызывают бифуркацию двух подтипов мезодермы, параксиальной и латеральной мезодермы, соответственно [124]. В то время как WNT, по-видимому, важен для спецификации мезодермы и дальнейшей генерации хондроцитов, ингибирование передачи сигналов WNT важно для содействия сердечной дифференцировке [124–126].

    С другой стороны, после установления индуцированной активином дефинитивной энтодермы могут возникать различные популяции клеток, такие как гепатоциты и клетки поджелудочной железы. Пути передачи сигналов BMP и WNT играют важную роль в генерации клонов поджелудочной железы, тогда как спецификация продуцирующих инсулин клеток может быть достигнута с помощью передачи сигналов FGF [127, 128]. Комбинация передачи сигналов FGF и BMP4 связана со спецификацией печеночной судьбы [129].

    Основываясь на манипуляциях с ранее описанными сигнальными путями, а также на способности стволовых клеток к «самоорганизации», были произведены органоиды различных линий, включая мозг, почки, печень, поджелудочную железу, легкие и кишечник [ 3, 130–134].Eiraku et al. были первыми, кто продемонстрировал способность PSCs самоорганизовываться в корковой ткани и повторять развитие эмбрионального мозга [135]. Позже Ланкастер и др. смогли направить дифференцировку ПСХ человека в различные области коры головного мозга и применить эту технику для моделирования заболеваний [3]. Позже было сообщено о множестве хорошо организованных органоидов нейронов, включая структуры переднего, среднего мозга, гипоталамуса и мозжечка [136–139]. В дополнение к органоидам мозга, направляя PSC к промежуточной мезодерме, были также образованы органоиды, которые воспроизводят первый триместр почек человеческого плода.Эти органоиды представляют собой отдельные нефроноподобные структуры, сегментированные на дистальные и проксимальные канальцы, окруженные эндотелием и почечным интерстицием, демонстрируя хорошо организованную структуру [133]. Это некоторые примеры способности воспроизводить человеческий органогенез in vitro из PSCs путем добавления лишь нескольких сигнальных сигналов. Тем не менее, различия между органоидами, происходящими из нативных органов и происходящих из ПСХ, все же можно наблюдать. Это может быть результатом неправильного выбора сигналов микросреды или статической передачи сигналов как в пространстве, так и во времени.Следовательно, требуется более высокий пространственно-временной контроль для достижения большего сходства с естественной микросредой.

    4.1. Биоинженерные подходы к пространственно-временному контролю механических сигналов

    Как было продемонстрировано ранее, механические свойства клеточного микроокружения сильно влияют на дифференцировку клеток, а также клеточную пролиферацию и апоптоз [60, 140, 141]. Кроме того, такие механические свойства специфичны для разных органов или даже внутри одного и того же органа, разные компоненты обладают разными механическими свойствами, позволяя модулировать клеточное поведение и способствовать многокомпонентному органогенезу [142, 143].Следовательно, для образования органоидов пространственная модуляция механических свойств является критической проблемой, которая может быть достигнута путем создания композитных гидрогелей. Например, функционализация традиционных гидрогелей, таких как матригель или коллаген, синтетическими аналогами ECM позволяет управлять механическими свойствами [144, 145]. Включение адгезионных пептидов позволяет управлять подвижностью, поскольку длинные пептидные привязки приводят к прикреплению и распространению клеток, тогда как короткие пептидные привязки вызывают сопротивление клеточной адгезии, что приводит к кластеризации клеток [146].Кроме того, включение пептидных субстратов, чувствительных к ферментативному расщеплению, также может модулировать расщепление гидрогеля клетками и, следовательно, способствовать миграции клеток [147]. Модульная конструкция пористых каркасов на основе протеина шелка также использовалась для производства комбинированных гидрогелей, воссоздающих шестислойную архитектуру коры головного мозга человека. Описанный подход заключался в сборке концентрических элементов без использования клея для создания модульных структур на основе процесса резки, подобного мозаике.Таким образом, разные слои были заселены разными типами нейронов, и была достигнута функциональная трехмерная конструкция кортикальной ткани [148]. Альтернативный способ создания сложных структур из композитных гидрогелей — это ДНК-управляемая сборка блоков с контролируемой формой. Этот метод представляет собой тот же принцип, что и ранее описанный для сборки клеток, состоящий в обогащении различных блоков «клеями» кольцевых цепей ДНК. На основе комплементарности каждого блока ДНК может быть достигнута программируемая сборка сложных структур макроуровня [149].

    В дополнение к заявленным технологиям, которые позволяют пространственную модуляцию механических элементов, дальнейшее временное руководство может быть создано с помощью светопосредованного формирования рисунка. Образование фотодеградируемых гидрогелей путем включения фотолабильных фрагментов в сетчатый каркас гидрогеля, такого как полиэтиленгликоль, делает возможным манипулирование физическими характеристиками ЕСМ с использованием света с разными длинами волн. Под воздействием света плотность поперечных связей локальной сети уменьшается, и гидрогель расщепляется, что приводит к изменениям физических свойств, включая жесткость, содержание воды, диффузию или полную эрозию, даже в присутствии клеток [150].В отличие от этого местного размягчения, присутствие фотоинициатора вызывает дополнительное сшивание после воздействия ультрафиолетового света, обеспечивая местное уплотнение [151].

    В дополнение к формированию светового рисунка были применены другие подходы для настройки жесткости гидрогелей с использованием комбинации pH-чувствительного поли (2- (диизопропиламино) этилметакрилата) (PDPA) и биосовместимого поли (2- (метакрилоилокси) ) этилфосфорилхолин) (ПМФХ) [152]. При тщательном регулировании pH эластичность гидрогелевой пленки может быть обратимо модулирована, обеспечивая повышение жесткости или размягчение материала и временное динамическое манипулирование адгезией / отслоением клеток [152].Эта обратимо регулируемая жесткость также может быть достигнута в нагруженных клетками гидрогелях на основе супрамолекулярных взаимодействий «хозяин-гость». В этом методе, о котором сообщается, жесткость регулируется нековалентными и обратимыми взаимодействиями хозяин-гость между боковыми мотивами «хозяин», которые присутствуют в первичной сети гидрогеля и растворимых полимерах. Таким образом, когда эти растворимые полимеры добавляются, образуются дополнительные физические поперечные связи, что приводит к увеличению плотности поперечного сшивания гидрогеля и модуля упругости [153].Гидрогели также могут быть динамически усилены с помощью ферментативных реакций, в которых создается пептидный линкер с дополнительными аминокислотными остатками, которые чувствительны к специфической ферментативной катализации. После воздействия фермента достигается образование специфического димера, ведущее к дополнительным сшивкам и окончательному упрочнению нагруженного клетками гидрогеля [154].

    Следовательно, на основе этих методов легко достигается пространственно-временное построение механических элементов. И, манипулируя жесткостью матрикса, рост соседних тканей и, следовательно, механическое ограничение, как видно in vivo, можно имитировать в органоидном микроокружении [155].

    4.2. Биоинженерные подходы к пространственно-временному контролю диффузии морфогенов

    Морфогены — это молекулы, которые способны координировать рост органов и формирование паттерна, устанавливая ступенчатое распределение концентраций и вызывая различные клеточные ответы в зависимости от дозы. Они могут быть либо цитоплазматическими белками, способными стимулировать градиент диффузии внутри клетки, либо секретируемыми сигнальными молекулами [156]. Градиент этих сигнальных молекул, по-видимому, направляет формирование паттерна ткани во время эмбриогенеза [157, 158].Формирование специфических структур может быть индуцировано градиентами сигнальных молекул, продуцируемых соседними клетками и приводящих к дифференциальной экспрессии генов, формированию паттерна ткани и морфогенезу [159]. In vitro , различные морфогены, включая небольшие молекулы, факторы роста и гормоны, были использованы для регуляции судьбы клеток в органоидах. Более того, достижения в области биоинженерии позволили пространственно-временному контролю градиентов морфогенов внутри органоида, давая возможность управлять правильным морфогенезом.

    Как уже упоминалось выше, подходы к формированию паттерна с помощью света представляют также многообещающее приложение для контроля морфогенных сигналов как в пространстве, так и во времени. Биомолекулы могут быть введены в гидрогель в желаемом месте, защищенном фоторазлагаемым фрагментом [160, 161]. В нужное время воздействие света приводит к определенному фото-высвобождению биомолекулы. Помимо пространственного и временного контроля доставки, для данного светового воздействия можно предсказать количество высвобождаемой биомолекулы [161].Кроме того, использование микрофлюидных систем или микро / наночастиц позволяет эффективно управлять пространственно-временным контролем градиентов морфогенов. Литографические методы могут использоваться для создания каналов для создания функциональных микрофлюидных структур внутри гидрогелей. Учитывая гидродинамические свойства микроканалов, следуя начальному однородному распределению биомолекул внутри каналов, градиент концентрации формируется путем регулирования скорости потока. Доставленные биомолекулы могут изменяться с течением времени внутри каркаса, и временная модуляция этих молекул может быть достигнута по всей сети пространственно однородным образом [162].Эти микрофлюидные устройства уже были успешно использованы для модуляции паттерна нервной трубки in vitro . Узел и др. сообщили о микрожидкостном дизайне для создания ортогональных линейных градиентов в трехмерном каркасе, встроенном в клетки [163]. Авторы использовали описанное устройство для создания градиентов ретиноевой кислоты (RA) и SAG, агониста sonic hedgehog (SHH) [164], через 3D гидрогель коллагена с агрегатами, полученными из ESC мыши [163]. Поскольку RA оказывает каудализирующий эффект на нейроэпителий, а SHH секретируется в наиболее вентральной части нервной трубки [165, 166], комбинаторный эффект этих двух морфогенов определяет каудальные и вентральные идентичности клеток-предшественников, что приводит к последующему формированию вентральной части. нейроны спинного мозга [163].Похожий подход также использовали Demers et al. В дополнение к передаче сигналов RA и SHH они ввели градиент BMP4 в микрофлюидное устройство, способное имитировать формирование дорсального паттерна нейроэпителия [167]. Во время нейральной дифференцировки дорсально-вентральная идентичность достигается установлением противоположных градиентов SHH и BMP, тогда как ортогональная доставка градиента RA позволяет генерировать рострально-каудальную ось [167]. Эти два разных исследования продемонстрировали способность генерировать контролируемые во времени градиенты морфогенов, которые делают возможным формирование пространственного паттерна в трехмерных структурах, происходящих из стволовых клеток.

    Таким образом, использование микрофлюидики может обеспечить градиент трансорганоидных морфогенов наряду с иммобилизацией биомолекул в биоматериале для пространственного контроля [168]. Фактически, прямая интеграция биомолекул в каркас позволяет манипулировать прикреплением, миграцией и судьбой клеток, но в сочетании с средством доставки, таким как микро / наночастицы, возможно контролируемое высвобождение биомолекул, что позволяет создавать пространственные градиенты [169]. ]. Махони и Зальцман были первыми, кто собрал клетки с контролируемым высвобождением полимерных микрочастиц для разработки тканей с программируемым синтетическим внеклеточным микроокружением [170].Позднее эта технология была применена для обеспечения контролируемого высвобождения морфогенов внутри органоидов [171]. Разлагаемые микросферы PLGA, содержащие RA, были включены в агрегаты, полученные из ESC, для достижения контролируемой презентации морфогена и образования кистозного сфероида [171]. Была продемонстрирована эффективная клеточная дифференцировка и морфогенез за счет генерации структур, которые напоминают ранние эмбрионы мыши (E6.75), с внешней висцеральной энтодермой, охватывающей эпибластоподобный слой [171].Более того, комбинация микрочастиц, которые представляют разные кинетические высвобождения, обеспечивает контролируемую и последовательную презентацию морфогена и, следовательно, предопределяет временной ход доставки и обеспечивает эффективную индукцию [172]. Эти подходы представляют собой универсальный инструмент для создания градиентов морфогенов, которые обеспечивают точную пространственно-временную регуляцию, будучи способными вызывать нарушение симметрии, необходимое для правильного морфогенеза органоидов.

    5. Увеличение производства органоидов

    Для образования органоидов следует учитывать другие параметры, помимо биохимических сигналов и физических свойств ECM, включая достаточное поступление питательных веществ и кислорода.Размер органоида увеличивается по мере усложнения генерируемых структур и может составлять от 200 мкм до мкм до 4 мм [14]. Органоиды большего размера обычно имеют диффузионные ограничения, затрудняющие имитацию некоторых особенностей развития [173]. Основываясь на физике диффузии, плотности клеток и более низком диапазоне сообщаемых показателей метаболического потребления кислорода, церебральные органоиды могут достигать максимального диаметра 1,4 мм без проявления центрального некроза [174]. Однако прогнозируемый диаметр основан только на низкой метаболической активности органоидов, поскольку спонтанная нервная активность встречается нечасто [174].Использование динамической системы, такой как вращающийся биореактор, способно поддерживать рост органоидов за счет эффективного переноса питательных веществ и диффузии кислорода, что позволяет поддерживать органоиды большого размера, около 4 мм, которые эффективно воспроизводят структуру мозга [ 3]. Фактически, биореакторы широко применялись для расширения и дифференциации PSCs в направлении мезодермальных, энтодермальных и эктодермальных клонов, без структурной клеточной компоновки внутри трехмерных агрегатов, происходящих из стволовых клеток [175–179].Протоколы генерации органоидов с использованием биореакторов обычно включают первоначальную фиксацию в статических условиях и дальнейшее встраивание органоидов в гидрогель с последующим переносом органоидов в биореактор [3, 180–182]. Эта методология ограничивает потенциальное расширение масштабов и применение органоидной культуры в высокопроизводительных процессах для открытия лекарств и токсикологических исследований. Недавно было сообщено о новой платформе, которая позволяет производить капсулы посредством электрораспыления с использованием ядра Matrigel, что дает прочные капсулы с поддержкой микроокружения и ростом органоидов за счет образования внешней альгинатной оболочки, которая защищает ядро ​​клетки-матригеля [183].Однако создание агрегатов контролируемого размера и дальнейшая дифференциация в хорошо организованные органоиды с использованием биореакторов в непрерывном процессе остается проблемой. Более того, как конструкция биореактора может повлиять на организацию и морфогенез органоида, все еще плохо изучено.

    6. Выводы и будущие задачи

    Мощная способность PSCs к самоорганизации была продемонстрирована в поколении in vitro различных мини-органоподобных структур, только путем предоставления некоторых важных сигналов.Таким образом, повторение морфогенеза in vitro может дать важную информацию для применения в регенеративной медицине, моделировании заболеваний и скрининге лекарств. Однако неконтролируемый органогенез может приводить к несовместимой анатомии органоидов и вариабельному клеточному составу, в котором могут отсутствовать некоторые типы клеток, а также функциональные особенности. Применение инженерных методологий для обучения организации органоидов позволяет лучше имитировать морфогенез человека. В этом обзоре мы сосредоточились на различных подходах к биоинженерии для достижения высоких уровней клеточной организации в органоидах, происходящих из PSC, путем контроля начального положения клеток, пространственно-временной клеточной стадии и ремоделирования сгенерированной ткани.

    Трехмерное повторение человеческих тканей дает возможность лучше понять биологические системы, являясь необходимым надежным анализом органоидов с полной характеристикой структуры и функции. Однако только несколько методологий позволяют идентифицировать фенотип и морфогенез без разрушения трехмерной организации органоида с использованием передовых подходов к микроскопии. Например, используя метод очистки, можно уменьшить рассеяние тканей и структуру сделать более прозрачной, улучшая проникновение света в ткани и визуализацию глубоких структур [184].Фактически, при световой микроскопии трехмерное изображение создается путем сканирования образца в плоскости за плоскостью, что обеспечивает более глубокую визуализацию тканей с высоким пространственно-временным разрешением [185]. В дополнение к методам визуализации следует разработать надежные методы оценки функциональности созданных трехмерных структур. Например, электрофизиология используется для характеристики функции кардиомиоцитов и нейронов, поскольку они электрически возбудимы. Тем не менее, эти методы позволяют использовать только отдельные ячейки (патч-зажим) и монослои (массивы микроэлектродов).Некоторые приспособления были сделаны для записи физиологических параметров в трехмерные конструкции. Чтобы оценить функциональность сгенерированной нейронной сети в интактной системе, на срезах органоидов был проведен патч-зажим [139, 186]. Однако необходимы более совершенные методики оценки функциональных свойств цельных органоидов.

    В дополнение к описанным проблемам в оценке функции и структуры органоидов, наша способность генерировать органоиды из PSCs также подвергалась некоторым ограничениям [187].Во-первых, необходимо производить значительное количество органоидов для использования в высокопроизводительных приложениях, а также требуются более крупные органоиды, чтобы лучше воспроизводить анатомию, наблюдаемую в тканях человека. Во-вторых, поскольку органоиды, происходящие из PSC, имеют тенденцию к формированию тканей, напоминающих эмбриональное развитие человека, также существует потребность в усилении функциональности генерируемых тканей для производства более зрелых органоидов. Были предприняты попытки преодолеть эти проблемы, и органоиды по-прежнему имеют большой потенциал для использования в биологических и терапевтических исследованиях, направленных на лучшее понимание человеческого развития и проявлений заболеваний, а также на обеспечение критического понимания эффективных методов лечения некоторых расстройств.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

    Благодарности

    Т.П. Сильва и J.P. Cotovio выражают признательность FundaÇão para a Ciência e a Tecnologia (FCT; Португалия, http://www.fct.pt) за финансовую поддержку в виде индивидуальных грантов: SFRH / BD / 105773/2014 и PD / BD135500 / 2018, соответственно. Финансирование также было получено от FCT в виде гранта: UID / BIO / 04565/2013. Финансирование было получено от проектов, совместно финансируемых FEDER (POR Lisboa 2020 — Programa Operacional Regional de Lisboa PORTUGAL 2020) и FCT через грант PAC-PRECISE LISBOA-01-0145-FEDER-016394 и CEREBEX Generation of Cerebellar Organoids for Ataxia Research grant LISBO-Research. -0145-ФЕДЕР-029298.Финансирование было также получено от программы исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения № 739572 — Центр открытий регенеративной и точной медицины h3020-WIDESPREAD-01-2016-2017.

    Моделирование развития эндодермальных органов и заболеваний с использованием органоидов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека | Журнал молекулярной клеточной биологии

    Аннотация

    Недавние успехи в разработке протоколов направленной дифференциации от плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSC) до определенных клонов в сочетании с технологией 3D органоидов облегчили создание различных органоидов, происходящих из энтодермы, для моделирование развития желудочно-кишечного тракта человека и in vitro. сопутствующие заболевания.В этом обзоре мы обсуждаем современные стратегии создания энтодермальных органоидов на основе hPSC, включая органоиды желудка, печени, поджелудочной железы, тонкой кишки и толстой кишки. Мы также рассматриваем преимущества использования этой системы для моделирования различных заболеваний человека и оцениваем недостатки этой технологии. Наконец, мы подчеркиваем, как другие технологии, такие как редактирование генома и биоинженерия, могут быть включены в 3D-модели hPSC-органоидов для создания еще более надежных и мощных платформ для понимания развития человеческих органов и моделирования заболеваний.

    Введение

    За последние 10 лет усовершенствованные методы культивирования органоидов и обращения с ними привели к резкому увеличению количества исследований с использованием этой модельной системы для изучения эмбрионального развития человека и прогрессирования заболевания in vitro , дополняющих существующие модели культур животных и 2D-клеток. . Органоид — это мини-орган, образованный in vitro в 3D-культуре из одной клетки или группы клеток, который обладает способностью к самоорганизации, самообновлению и дифференцировке в разные типы клеток, связанных с его соответствующим органом, в ответ. к соответствующим сигналам.В 1950-х и 1960-х годах в некоторых исследованиях органоиды назывались «внутриклеточными органеллами», и этот термин сейчас устарел (Duryee and Doherty, 1954). Другие использовали слово органоиды для описания опухолей (Годиенко, 1964) или аномальных клеточных разрастаний (Wolter, 1967). Таким образом, определение органоидов варьируется в зависимости от области исследований в зависимости от происхождения органоидов и методов выделения (Shamir and Ewald, 2014; Simian and Bissell, 2016). Недавняя литература документально подтверждает, что органоиды могут быть получены из любого из нескольких источников: (i) плюрипотентные стволовые клетки человека (hPSC), включая эмбриональные стволовые клетки человека (hESC) и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC), которые могут генерировать органоиды, представляющие различные органы в теле; (ii) взрослые органоспецифические стволовые клетки, которые сохраняют идентичность органа и обладают способностью генерировать различные типы клеток, присутствующие в этом органе; (iii) клетки-предшественники / нормальные клетки органов, в которых отсутствуют популяции стволовых клеток, таких как поджелудочная железа и печень; (iv) зрелые дифференцированные типы клеток органа; и (v) первичные эксплантаты, полученные из нормальных тканей или опухолей (Stange et al., 2013; Шамир и Эвальд, 2014; Ланкастер и Кноблих, 2014; Мур и др., 2015; Умные 2016; Fatehullah et al., 2016; Дрост и Клеверс, 2017). Органоиды, представляющие различные органы тела, были разработаны для различных применений, включая, помимо прочего, изучение основных биологических процессов и процессов развития, моделирование заболеваний и скрининг лекарств.

    Краткая история происхождения органоидов

    В то время как интерес к органоидам резко возрос за последнее десятилетие, на самом деле исследования на основе органоидов длились гораздо дольше, чем предполагают самые последние обзоры.О первой попытке создания органоидов сообщил Уилсон (1910) в начале 1900-х годов, в котором он показал, что отдельные диссоциированные клетки губки способны реагировать и реорганизовываться с образованием совершенно новой жизнеспособной губки без каких-либо внешних сигналов. В последующие десятилетия несколько лабораторий использовали один и тот же метод диссоциации и реагрегации, чтобы продемонстрировать, что клетки, выделенные из разных органов более сложных организмов, включая кишечнополостные (De Morgan and Drew, 1914), земноводные (Holtfreter, 1948) и цыплят (Moscona and Drew, 1914). Moscona, 1952) также обладают способностью к самоорганизации и восстановлению структурного паттерна исходной ткани во время суспензионной культуры.

    Появление современных исследований органоидов началось с открытия и выделения различных компонентов внеклеточного матрикса (ЕСМ), которые позволили исследователям культивировать дифференцированные клетки в 3D. По сравнению с 2D-культурой, 3D-культура играет важную роль в поддержании роста клеток, структурированной дифференцировке клеток и развитии более сложных органо-подобных структур in vitro . Коллаген был первой молекулой ЕСМ, которая была выделена и протестирована для воздействия на жизнеспособность клеток; Было показано, что слой коллагена увеличивает выживаемость клеток, культивируемых в 2D (Huzella, 1932; Ehrmann and Gey, 1956).Тем не менее, клетки, культивируемые в этих условиях, имеют тенденцию терять способность к дифференцировке через несколько дней. Два десятилетия спустя было показано, что когда первичным гепатоцитам (Michalopoulos and Pitot, 1975) или эпителиальным клеткам молочной железы (Emerman and Pitelka, 1977) позволяли плавать в среде на коллагеновых гелях, эти типы клеток сохраняли свой статус дифференцировки. Хотя механизм не был понят в то время, это предполагало, что устранение контакта с твердым пластиком при плавании в коллагеновом геле обеспечивает благоприятную среду для дифференцировки клеток.

    Между 1963 и 1977 годами трое ученых выделили студенистую базальную мембрану во время изучения опухоли хрондросаркомы, которая вырабатывала чрезмерный ECM, и которая впоследствии была названа в их честь саркомой Engrelbreth Horm Swarm (EHS). ЕСМ, генерируемый саркомой EHS, теперь известен как матригель, который обогащен ламинином, коллагеном IV и фибронектином. С открытием этих отдельных компонентов ECM, многочисленные группы независимо продемонстрировали важность ECM в регуляции экспрессии генов в различных первичных типах клеток и, следовательно, в контроле состояний дифференцировки и функций этих первичных клеток.В 1991 году Streuli et al. (1991) показали, что в клетках молочных желез взаимодействие интегрина с богатым ламинином ECM необходимо для экспрессии молочного белка β-казеина, предоставив первое механистическое доказательство того, что ECM регулирует экспрессию генов, управляя функцией ткани и морфогенезом.

    С прогрессирующим пониманием важности взаимодействия между факторами роста, морфогенами и ECM в морфогенезе в сочетании с достижениями в области выделения стволовых клеток и стратегий дифференцировки, были разработаны различные методы для 3D-культуры клеток из разных органов.Впервые опубликованные в 2008 году, Сасай и его коллеги продемонстрировали самоорганизующиеся и поляризованные кортикальные ткани, полученные в результате направленной дифференцировки ЭСК мыши или человека, с использованием протокола трехмерной агрегационной культуры под названием SFEBq (бессывороточная культура быстрых агрегатов, подобных эмбриоидным телам) (Eiraku et al. др., 2008). В следующем году в новаторском исследовании Sato et al. (2009) сообщили, что при культивировании в матригеле одиночная кишечная стволовая клетка LGR5 + , выделенная из кишечного крипты взрослой мыши, способна образовывать сложную структуру, подобную in vivo- , состоящую из различных типов кишечных клеток.Менее чем за десять лет ученые успешно создали органоиды, имитирующие мозг, сетчатку, почки, печень, желудок, поджелудочную железу, кишечник и некоторые другие органы. Для получения подробной информации об истории развития и использования органоидов читатели могут обратиться к всеобъемлющему обзору, написанному Симианом и Бисселлом (2016).

    Плюрипотентные стволовые клетки в моделировании болезней: 2D vs. 3D

    Выделение hESC и создание hiPSC, известных под общим названием hPSC, подогрели интерес к развитию клеточной регенеративной терапии.За последние два десятилетия были описаны надежные протоколы для направленной дифференцировки hESCs и hiPSCs в различные типы клеток в 2D-монослойных системах культивирования клеток. Однако двухмерная система культивирования имеет несколько ограничений. Во-первых, эта система не может точно имитировать естественную структуру тканей или опухолей и, следовательно, неспособна точно воспроизводить сложные морфогенетические процессы, лежащие в основе эмбрионального развития, клеточной дифференциации, регенерации тканей и образования опухолей.Более того, формирование паттерна, полярность и способ деления клеток также изменяются в 2D-культуре, что приводит к изменениям в экспрессии генов и функции клеток (Duval et al., 2017; Ho et al., 2018).

    Поиск лучшей модельной системы стимулировал развитие трехмерной культуры органоидов для более точного повторения условий in vivo . Действительно, было показано, что органоидная система превосходит по нескольким параметрам двумерную культуру, потому что органоиды обладают способностью самоорганизовываться в замечательную тканеподобную архитектуру и претерпевают многолинейную дифференцировку, содержащую гетерогенные популяции клеток.Система трехмерного культивирования органоидов также позволяет фундаментальным процессам, таким как клеточная миграция и сегрегация, пространственно ограниченная фиксация клонов и клеточная организация, происходить в более физиологически релевантной микросреде. Благодаря управляемости и масштабируемости методов культивирования, был достигнут значительный прогресс в создании трехмерных органоидов in vitro из hPSC с использованием знаний, полученных за годы многих исследований биологии развития на мышах и людях.

    После направленной дифференцировки hPSCs в определенные зародышевые листы — эктодерму, мезодерму или энтодерму — предшественники различных клонов, представляющих конкретный зародышевый листок, могут возникать в трехмерных агрегатах, чтобы позволить дальнейшую дифференцировку в различные представляющие интерес ткани. Такие методы привели к созданию множества типов органоидов, которые моделируют различные ткани / органы, полученные из hPSC, включая тонкий кишечник (Spence et al., 2011), толстую кишку (Crespo et al., 2017; Munera et al., 2017) , сетчатка (Eiraku et al., 2008; Накано и др., 2012; Kuwahara et al., 2015), мозг (Lancaster et al., 2013), печень (Takebe et al., 2013), желудок (McCracken et al., 2014), легкое (Dye et al., 2015), поджелудочная железа ( Hohwieler et al., 2017) и почки (Forbes et al., 2018). Моделирование заболеваний с использованием культур органоидов головного мозга, сетчатки, легких и почек, полученных из hESC / hiPSC, подробно рассматривалось в других работах (Sasai, 2013; Lancaster and Knoblich, 2014; Barkaukas et al., 2017; Nishinakamura, 2019). В этом обзоре мы сосредоточены на разработке органоидов энтодермального клона, происходящих из hPSC, включая желудок, печень, поджелудочную железу, тонкий кишечник и толстую кишку (Таблица 1).Мы обсуждаем последние достижения в разработке этих органоидов и подчеркиваем их многообещающий потенциал в биомедицинских приложениях и прецизионной медицине.

    Таблица 1

    Сводка энтодермальных органоидов, полученных из hPSC, используемых для моделирования развития и заболевания желудочно-кишечного тракта человека.

    Таблица 1

    Сводка по энтодермальным органоидам, полученным из hPSC, используемых для моделирования развития и заболеваний желудочно-кишечного тракта человека.

    Органоиды желудка

    Во время развития эпителий желудка образует инвагинации в собственной пластинке, известные как желудочные единицы, которые подразделяются на ямку и железу (Wilson and Stevenson, 2019).Зрелый желудок человека разделен на две отдельные функциональные области: проксимальное дно / тело желудка и дистальный отдел антрального отдела привратника.

    Знания, полученные в результате исследований формирования паттерна передней энтодермы и развития желудка на животных моделях, в том числе на мышах, сыграли важную роль в создании первых органоидов желудка человека посредством направленной дифференцировки чЭСК, впервые предложенной лабораторией Уэллса (McCracken et al., 2014; Table). 1). Вкратце, протокол дифференцировки включает дифференцировку чЭСК сначала в направлении дефинитивной энтодермы (ДЭ) путем обработки активином А.Затем формируется паттерн DE для принятия судьбы задней энтодермы передней кишки с использованием комбинации WNT3A, FGF4, Noggin и ретиноевой кислоты (RA). На этом этапе органоиды задней части передней кишки, которые появляются из 2D-культуры, внедряются в матригель и обрабатываются RA, Noggin и EGF в течение следующих 72 часов, чтобы вызвать спецификацию желудка. Органоиды сохраняются в среде, содержащей высокую концентрацию EGF, до 34 дней, чтобы способствовать морфогенезу и дифференцировке в различные типы клеток желудка (рис. 1).С помощью этого протокола McCracken et al. (2014) получили органоиды желудка, содержащие типы клеток с антральными характеристиками желудка. Гланды глазного дна не были указаны, и возможные протоколы для достижения этой цели требовали знаний о развитии глазного дна желудка.

    Рисунок 1

    Схема, показывающая протоколы дифференцировки hPSC в разные энтодермальные клоны, включая органоиды желудка, гепатоцитов, холангиоцитов, поджелудочной железы, тонкой кишки и толстой кишки.

    Рисунок 1

    Схема, показывающая протоколы дифференцировки hPSC в направлении различных энтодермальных клонов, включая органоиды желудка, гепатоцитов, холангиоцитов, поджелудочной железы, тонкой кишки и толстой кишки.

    Используя полученные из hESC антральные органоиды желудка, эти исследователи идентифицировали новые сигнальные механизмы, которые регулируют формирование паттерна ранней энтодермы и дифференцировку энтероэндокринных клеток желудка выше NEUROG3, главного регулятора эндокринной дифференцировки. Три года спустя та же группа сообщила о получении из чЭСК органоидов желудка с характеристиками дна желудка (McCracken et al., 2017; Таблица 1) с использованием модифицированного протокола, специфичного для органоидов антрального отдела желудка.В сочетании с исследованиями in vivo на мышах они обнаружили, что каноническая передача сигналов Wnt необходима для спецификации дна желудка. Т.о., длительная активация передачи сигналов Wnt после стадии задней энтодермы передней кишки способна продуцировать органоиды дна желудка с разными типами клеток желудка, специфичными для глазного дна, включая главные клетки, клетки поверхности и слизистой шеи и энтероэндокринные клетки (Рис. 1). Они также обнаружили, что ингибирование MEK / ERK и активация передачи сигналов BMP необходимы для дифференцировки секретирующих кислоту париетальных клеток в этих органоидах желудка.Эти органоидные системы желудка можно использовать для изучения физиологических взаимодействий желудочных клеток человека в нормальных и болезненных состояниях, инициации и прогрессирования рака желудка хронической инфекцией Helicobacter pylori и ответов на фармакологическое лечение.

    Органоиды печени

    Создание протокола для создания органоидов гепатоцитов

    О направленной дифференцировке hESC и hiPSC в гепатоцитоподобные клетки сообщили более десяти лет назад несколько исследовательских групп (Baharvand et al., 2006; Agarwal et al., 2008; Si-Tayeb et al., 2010). Общий протокол дифференцировки гепатоцитов включает генерирование DE из hPSC с помощью обработки активином A с последующей спецификацией гепатобластов с использованием BMP4 и FGF2. Гепатобласты далее дифференцируются в незрелые гепатоциты обработкой HGF, а созревание гепатоцитов достигается путем культивирования в среде, содержащей Онкостатин М (рис. 1). Варианты этого протокола были рассмотрены в другом месте (Safinia and Minger, 2009). Однако эти протоколы дифференцировки генерируют гепатоцитоподобные клетки в 2D-культуре, которые не могут проявлять важные функциональные свойства, наблюдаемые в сложных тканях.

    Ранний морфогенез и спецификация формирующегося зачатка печени сильно зависят от взаимодействия передачи сигналов между клетками энтодермы печени с соседними мезенхимальными и эндотелиальными предшественниками (Zhao and Duncan, 2005). Основываясь на этих знаниях биологии развития и в сочетании с эффективным протоколом дифференцировки гепатоцитов, установленным Дунканом и его коллегами (Si-Tayeb et al., 2010), Takebe et al. (2013) создали первые васкуляризованные органоиды печени, полученные из hiPSC (более подходящее моделирование зачатков печени), путем совместного культивирования энтодермальных клеток печени, полученных из hiPSC, с эндотелиальными клетками пупочной вены человека (HUVEC) и мезенхимальными стволовыми клетками человека (hMSC).Вклад hMSCs в этом контексте заключается в дифференцировке в периваскулярные клетки, которые стабилизируют сосудистую сеть. Примечательно, что хотя эти клетки изначально были посеяны в 2D-условиях, система совместного культивирования позволила гепатоцитам, полученным из hiPSC, самоорганизоваться в 3D-кластеры, напоминающие зачатки печени. При трансплантации in vivo мышам с иммунодефицитом интерлейкин-2Rγ-нуль (NSG) сосудистая сеть органоидов зачатков печени, полученных из hiPSC, эффективно соединяется с сосудами хозяина, образуя функциональную сосудистую сеть, способную индуцировать дальнейшее функциональное созревание гепатоцитов, полученных из hiPSC.Органоиды печени, полученные из hiPSC, спасли и улучшили выживаемость у мышей с острой печеночной недостаточностью (ОПН). Этот метод совместного культивирования подчеркивает важность многоклеточных взаимодействий во время развития печени и обеспечивает весьма успешный доказательный подход, который, вероятно, применим к другим системам органов. Тем не менее, основное предостережение этого исследования состоит в том, что HUVECs и hMSCs представляют собой установленные клеточные линии, которые не были получены из одних и тех же hiPSCs, и без дальнейших модификаций этот тип конструкции может запускать отторжение трансплантата при трансплантации.

    Чтобы преодолеть эту серьезную проблему, Nie et al. (2018) совместно культивировали энтодермальные клетки печени, полученные из hiPSC, с эндотелиальными клетками и мезенхимальными клетками, которые были получены из пуповины одного донора на платформе 3D-микролунок, чтобы обеспечить самоорганизацию и образование органоидов печени. Этот подход генерировал органоиды печени с повышенной печеночной емкостью по сравнению с использованием одних гепатоцитоподобных клеток, полученных из hiPSC. После трансплантации в почечные капсулы мышиной модели ALF гепатоциты, полученные из hiPSC, быстро восстановили функцию печени и улучшили выживаемость.Хотя это представляет собой улучшенный вариант по сравнению с исходной стратегией, описанной Takebe et al. (2013), получение эндотелиальных и мезенхимальных клеток из пуповины занимает много времени и требует оптимизированных протоколов.

    Альтернативный подход, описанный Wu et al. (2019) заключалась в создании гепатобилиарных органоидов, содержащих эндотелиальные и мезенхимальные клетки, в одной чашке, исключая необходимость отдельно дифференцировать эндотелиальные и мезенхимальные клетки. Это было достигнуто за счет сохранения 25% поддерживающей плюрипотентности среды, mTESR, в протоколе дифференцировки на стадии спецификации печени.Полученные гепатобилиарные органоиды, полученные с помощью этого протокола, содержат гепатоциты, холангиоциты и эндотелиоподобные клетки. Используя этот протокол, они также показали, что спецификация судьбы желчных путей требует передачи сигналов Notch на холангиоцитах, которая активируется фактором роста эндотелия сосудов (VEGF) из эндотелиоподобных клеток и трансформирующим фактором роста-β (TGF-β), присутствующим в среде mTESR. .

    Моделирование жировой болезни печени с использованием органоидов печени

    Стеатогепатит — это тип жировой болезни печени, характеризующийся воспалением печени с одновременным накоплением жира (стеатозом).Основываясь на успешном создании кишечных органоидов, содержащих как энтодермальные, так и мезодермальные клоны (Spence et al., 2011; McCracken et al., 2017), группа Takebe приняла эти протоколы для совместной дифференциации гепатоцитов с другими поддерживающими типами стромальных клеток, такими как печеночные звездчатые клетки и клетки Купфера в 3D-культурах (Ouchi et al., 2019; Таблица 1). При обработке свободной жирной кислотой эти органоиды печени проявляли характерный стеатоз и вызывали воспалительную реакцию, приводящую к образованию фиброзных органоидов, жесткость которых измеряли с помощью атомно-силовой микроскопии.Затем эту новую платформу использовали для моделирования болезни Вольмана, патологии, вызванной дефектной активностью липазы лизосомальной кислоты (LAL). В гепатоцитах пациентов с болезнью Вольмана наблюдается массивное накопление липидов, сопровождающееся обширным фиброзом и летальным стеатогепатитом. Органоиды печени, полученные из hiPSC Wolman, также показали значительное увеличение накопления липидов, которое можно было устранить обработкой рекомбинантной КЛЛ. Это исследование дополнительно продемонстрировало клинический аспект трансляции этой модели, показав, что обетихолевая кислота, агонист рецептора фарнезоида X, способна стимулировать экспрессию FGF19 в подвздошной кишке.FGF19, в свою очередь, оказывает прямое действие на печень, подавляя накопление липидов, тем самым облегчая стеатогепатит в органоидах печени, полученных от hiPSC, от пациентов Wolman (рис. 2). Эта платформа может быть использована для моделирования других хронических заболеваний печени, таких как врожденная ошибка метаболизма в печени и болезни альфа-1-антитрипсина (A1AT).

    Рисунок 2

    Схематическое обобщение энтодермальных органоидов, полученных из hPSC, используемых для моделирования развития и заболевания желудочно-кишечного тракта человека.

    Рисунок 2

    Схема, обобщающая энтодермальные органоиды, производные hPSC, используемые для моделирования развития и заболевания желудочно-кишечного тракта человека.

    Органоидная модель патогенеза хронической вирусной инфекции печени

    Печень является органом-мишенью для многих вирусов, включая гепатит B (HBV) и C (HCV). Данные свидетельствуют о том, что генетический фон хозяина может объяснять гетерогенный исход этих инфекций (Burgner et al., 2006). Поскольку исследования взаимодействий между хозяином и патогеном с использованием установленных линий клеток рака печени или гуманизированных моделей мышей не отражают индивидуальный генетический фон хозяина, это ограничивает их применение для понимания потенциала генетики хозяина для воздействия на вирусный патогенез.Сообщалось о моделях инфекции ВГС с использованием двумерных культур гепатоцитов, полученных из hESC и hiPSC (Roelandt et al., 2012; Schwartz et al., 2012; Таблица 1), и моделей инфекции HBV с использованием трехмерных органоидов печени (Nie et al., 2018). . Эти исследования продемонстрировали, что гепатоциты, полученные из ПСХ, способны поддерживать весь жизненный цикл этих вирусов, включая повторение естественного проникновения HBV и HCV, передачу клетка-клетка и способность вызывать воспалительный ответ гепатоцита на инфекцию (рис. 2). .Nie et al. (2018) далее показали, что органоиды печени, полученные из PSC, более восприимчивы к инфекции HBV и лучше моделируют последующую дисфункцию печени по сравнению с hPSC-гепатоцитами, культивируемыми в 2D-условиях. Вопрос о том, можно ли использовать такие модели для масштабного производства вирусов в исследовательских целях и для скрининга противовирусных препаратов, специфичных для пациентов, требует дальнейшего изучения.

    Органоиды холангиоцитов для моделирования синдрома Алажиля и муковисцидоза

    Холангиоциты представляют собой эпителиальные клетки, которые образуют систему желчных протоков взрослого человека, которая регулирует гомеостаз желчи и модулирует воспалительные реакции, а также участвует в восстановлении повреждений печени.Сообщалось о нескольких протоколах дифференциации холангиоцитов от hPSC; каждый использовал аналогичные начальные этапы дифференцировки для создания гепатобластов, а затем использовали вариации для определения и созревания холангиоцитов (Dianat et al., 2014; Ogawa et al., 2015; Sampaziotis et al., 2015, 2017). Dianat et al. (2014) сообщили об использовании гормона роста, EGF, интерлейкина-6 и таурохолата натрия в культуре на коллагене I для дифференциации и созревания холангиоцитов. Этот протокол позволил получить субпопуляцию холангиоцитов, известных как небольшие холангиоциты, подобные тем, которые обычно расположены в канале Геринга (Sampaziotis et al., 2017). Посредством совместного культивирования гепатобластов со стромальными клетками костного мозга мыши OP-9 в присутствии EGF, HGF и TGF-β и в ECM, состоящем из коллагена типа 1 и Matrigel, Ogawa et al. (2015) смогли генерировать зрелые органоиды холангиоцитов с характеристиками крупных холангиоцитов. Стромальные клетки OP-9, вероятно, поддерживают спецификацию и созревание органоидов холангиоцитов, предоставляя нишевые факторы, такие как JAG1, который активирует передачу сигналов Notch, необходимую для развития холангиоцитов.Этот метод, однако, имеет значительные ограничения для механистических исследований развития желчных путей, поскольку дополнительные неизвестные факторы могут секретироваться клетками OP-9. Чтобы преодолеть это предостережение, группа Валлиера разработала другую стратегию, в которой спецификация предшественников холангиоцитов из гепатобластов индуцировалась FGF10, RA и активином A с последующей индукцией созревания холангиоцитов в 3D с использованием Matrigel и среды, содержащей EGF (Sampaziotis et al. , 2015, 2017; рисунок 1). Используя этот более определенный метод, они смогли создать органоиды холангиоцитов с функциональными характеристиками больших холангиоцитов, аналогичными тем, которые были получены Ogawa et al.(2015).

    После успешного создания функционально зрелых органоидов холангиоцитов эти платформы были использованы для моделирования детского билиарного расстройства синдром Алагилля, который характеризуется нехваткой желчных протоков, вызванной мутациями в JAG1 или NOTCh3 (Ogawa et al., 2015; Sampaziotis et al. , 2015; Таблица 1; Рисунок 2). Путем блокирования передачи сигналов Notch в органоидах холангиоцитов с помощью ингибиторов γ-секретазы ингибировалось образование органоидов и морфогенез ветвления протоков органоидов холангиоцитов.Эти находки подтверждают предыдущие наблюдения на моделях мышей и демонстрируют важность передачи сигналов Notch в спецификации холангиоцитов человека.

    Муковисцидоз — аутосомно-рецессивное заболевание, вызванное мутацией гена трансмембранного регулятора проводимости муковисцидоза ( CFTR) , который кодирует транспортер хлорида натрия. Потеря или дисфункция белка CFTR в холангиоцитах приводит к снижению внутрипросветной секреции хлоридов, увеличению вязкости желчи и обструкции желчных путей, вызывая билиарный фиброз и цирроз печени (Colombo, 2007; Staufer et al., 2014). Органоиды холангиоцитов, полученные из hiPSC, были использованы для моделирования поликистозных и связанных с муковисцидозом холангиопатий (Ogawa et al., 2015; Sampaziotis et al., 2015; Рисунок 2; Таблица 1). Органоиды холангиоцитов, происходящие из CF-hiPSC, воспроизводили основные фенотипы холангиопатий, связанных с муковисцидозом, и использовались для определения новых специфичных для пациента терапевтических агентов, которые потенциально могли бы облегчить симптомы, связанные с холангиопатией, у этих пациентов.

    Органоиды поджелудочной железы для моделирования рака поджелудочной железы, муковисцидоза и диабета

    Поджелудочная железа происходит от задней энтодермы передней кишки и состоит из эндокринного и экзокринного отделов.Эндокринный компартмент состоит из пяти основных типов клеток, секретирующих гормоны, и участвует в регуляции гомеостаза глюкозы. Двумя основными типами клеток экзокринного компартмента являются ацинарные клетки, вырабатывающие пищеварительные ферменты, и протоковые клетки, которые выделяют слизь и раствор бикарбоната для доставки пищеварительных ферментов в кишечник (Pan and Wright, 2011).

    Сообщалось о различных установленных протоколах дифференцировки поджелудочной железы (Rezania et al., 2014; Pagliuca et al., 2014; Русс и др., 2015; Газизаде и др., 2017; Amin et al., 2018) и подробно рассмотрен в другом месте (Hohwieler et al., 2019). Эти протоколы в основном сосредоточены на создании β-клеток поджелудочной железы в 2D-культуре для моделирования диабета (Zeng et al., 2016; Guo et al., 2017; Zhou et al., 2018; Рисунок 2). Каждый из протоколов включает распределение DE в судьбе задней кишки с использованием FGF7. Стадии 2 и 3 дифференцировки включают спецификацию задней кишечной трубки до задней энтодермы передней кишки и, впоследствии, предшественников поджелудочной железы, индуцируемых несколькими сигнальными молекулами, включая FGF7, RA, витамин C и агонист протеинкиназы C, при ингибировании передачи сигналов BMP и Shh.Адаптируя аналогичные протоколы дифференцировки для создания предшественников поджелудочной железы, органоиды поджелудочной железы также были созданы из hPSC для моделирования рака поджелудочной железы и муковисцидоза (Huang et al., 2015; Hohwieler et al., 2017; Таблица 1).

    Хуанг и др. (2015) использовали двухэтапный протокол для дифференциации производных hPSC предшественников поджелудочной железы в сторону экзокринной судьбы путем ингибирования передачи сигналов TGF-β и Notch и получили органоиды поджелудочной железы, экспрессирующие низкие уровни протоковых и ацинарных маркеров.Эти органоиды поджелудочной железы подверглись дальнейшему морфогенезу и дифференцировке в зрелые протоки и ацинусы после трансплантации in vivo в жировую подушку молочной железы мыши. Эта органоидная платформа в дальнейшем была использована для моделирования инициации и образования протоковой аденокарциномы поджелудочной железы (PDAC) (рис. 2). Отличительным признаком прогрессирования PDAC является активирующая мутация KRAS в сочетании с потерей нескольких опухолевых супрессоров, таких как TP53, CDKN2A и SMAD4. Хуанг и др. (2015) генерировали органоиды поджелудочной железы, несущие либо единственную KRAS-активирующую мутацию, либо доминантно-отрицательную мутацию p53 R172H .Эти органоиды образовывали кистозные структуры с морфологией, сходной с очагами интраэпителиальной неоплазии поджелудочной железы (PanIN), как in vitro , так и in vivo . Примечательно, что эти органоиды PanIN не были способны расширяться с образованием более крупных повреждений PanIN или прогрессировать до стадии опухоли PDAC после трансплантации in vivo в жировую подушку мыши. Остается неизвестным, как эти органоиды будут вести себя, если их ортотопически трансплантировать в их естественную среду. Интересным подходом было бы создание органоидов поджелудочной железы, происходящих из hPSC, содержащих комбинации различных мутаций драйвера, для моделирования прогрессирования и метастазирования PDAC.

    Поджелудочная железа — один из органов, наиболее серьезно пораженных муковисцидозом. Белок CFTR высоко экспрессируется в эпителиальных клетках протоков поджелудочной железы, которые прямо или косвенно связаны с транспортом бикарбоната. В поджелудочной железе пациентов с муковисцидозом нарушение секреции бикарбоната приводит к увеличению вязкости слизи, гиперконцентрации пищеварительных ферментов и, как следствие, обструкции протокового эпителия, что может привести к панкреатиту, сахарному диабету, связанному с муковисцидозом, и, в конечном итоге, разрушению всего органа ( Раскрой, 2015).Hohwieler et al. (2017) адаптировали протокол дифференцировки, в котором органоиды поджелудочной железы со зрелыми протоковыми и ацинарными клетками генерировались in vitro без необходимости созревания in vivo (Рисунок 1). С помощью этого протокола органоиды поджелудочной железы были созданы с использованием hiPSC от пациентов с муковисцидозом и использовались для идентификации соединений, которые могут улучшить клеточную обработку и стробирующую функцию белка CFTR. Кроме того, эта платформа облегчила тестирование новой стратегии скрининга панели химически модифицированных мРНК (cmRNAs) на предмет комплементации путем трансфекции органоидов CF-hiPSC-поджелудочной железы для идентификации cmRNA, которая может дополнять функцию гена CFTR .Эта стратегия в будущем может быть применена к другим органоидам, используемым для моделирования муковисцидоза, включая органоиды холангиоцитов, легких и толстой кишки.

    Как упоминалось выше, большинство исследований с использованием дифференцировки β-клеток, полученных из hPSC, использовалось для моделирования диабета с использованием 2D-культур. Два исследования продемонстрировали, что агрегация дифференцированных типов гормональных клеток, производных чЭСК, с образованием островковидных структур приводит к усиленной секреции инсулина, что указывает на то, что агрегация улучшает функцию β-клеток (Shim et al., 2015; Ким и др., 2016; Таблица 1). Стоит упомянуть, что недавнее исследование показало, что перепрограммирование протоковых клеток на основе фактора транскрипции в β-клетки in vitro было значительно улучшено при использовании протоковых органоидов мышей по сравнению с двумерными линиями протоковых клеток человека (Azzarelli et al., 2019). Будет ли достигнуто такое эффективное перепрограммирование в органоидах поджелудочной железы, происходящих из hPSC, еще предстоит изучить.

    Органоиды тонкой и толстой кишки

    Зрелый кишечник — это орган с высокой степенью компартментализации с отдельными областями, которые выполняют различные функции, включая пищеварение, абсорбцию, метаболизм и иммунитет.Тонкая кишка, которая играет важную роль в пищеварении и всасывании питательных веществ, состоит из проксимального отдела двенадцатиперстной кишки, тощей кишки и дистального отдела подвздошной кишки. Толстый кишечник, который отвечает за образование кала, а также за всасывание воды, электролитов и витаминов, вырабатываемых кишечными бактериями, состоит из слепой кишки, толстой кишки, прямой кишки и заднего прохода. Нарушение регуляции развития или функции кишечника, а также патогенная инфекция могут вызывать ряд кишечных заболеваний, таких как воспалительное заболевание кишечника, синдром короткой кишки, инфекционно-ассоциированный энтерит и колоректальный рак.До разработки кишечных органоидов эти кишечные заболевания моделировались с использованием клеточных линий и эксплантированных тканей, которые имеют значительные ограничения, включая отсутствие сложной трехмерной архитектуры и клеточной гетерогенности.

    В 2011 году группа Уэллса создала первые кишечные органоиды, полученные из hPSC, на основе знаний о биологии развития, полученных от различных модельных организмов, включая Xenopus , рыбок данио и мышей (Spence et al., 2011; McCracken et al., 2011). Во время развития тонкий и толстый кишечник происходят из DE, который специфицируется в энтодерме среднего и заднего кишечника (Zorn and Wells, 2007). Следовательно, для образования органоидов кишечника hPSC сначала были дифференцированы в DE путем обработки активином A с последующим формированием паттерна DE в CDX2 + средней и задней кишки с использованием высокой концентрации WNT3A и FGF4 в течение 4 дней. Во время этой стадии формирования паттерна монослойный эпителий подвергается морфогенезу и сворачиванию, чтобы генерировать 3D сфероиды, которые в конечном итоге отпочковываются от 2D эпителия.Эти трехмерные сфероиды были дополнительно культивированы в Matrigel с использованием минимальной про-кишечной среды дифференцировки, содержащей нишевые факторы, включая EGF, Noggin и WNT3A (рис. 1). Этот протокол генерировал органоиды со сложной трехмерной архитектурой, содержащие как эпителиальные, так и мезенхимальные компоненты тонкой кишки. Эпителиальный компонент органоидов состоит из энтероцитов, которые образуют ворсиноподобные структуры, расположенные в крипте LGR5 + транзитно-амплифицирующие (ТА) и стволовые клетки, энтероэндокринные клетки, клетки Панета и бокаловидные клетки.Spence et al. (2011) показали возможность использования этой кишечной органоидной платформы для исследований развития путем нокаута или сверхэкспрессии NEUROG3, главного регулятора эндокринной судьбы (Table 1). Тем не менее, региональная идентичность этих кишечных органоидов оставалась неуловимой. Последующее исследование Tsai et al. (2017) продемонстрировали, что региональная спецификация этих органоидов тонкого кишечника может быть достигнута путем воздействия на DE высоких концентраций WNT3A и FGF4 в течение разного времени.Более короткое время воздействия привело к судьбе двенадцатиперстной кишки, в то время как более длительное время воздействия привело к образованию органоидов с характеристиками подвздошной кишки. Однако длительное воздействие FGF4 на предшественники средней / задней кишки ингибирует дифференцировку и созревание органоидов кишечника (Tamminen et al., 2015; Table 1). В то время как WNT3A и FGF4 необходимы для спецификации тонкого кишечника, временной активации передачи сигналов BMP2 достаточно для того, чтобы управлять судьбой кишечной трубки, полученной из hPSC, в толстую кишку, поскольку для развития задней части кишечной трубки и толстой кишки требуются высокие уровни передачи сигналов BMP (Munera et al. ., 2017; Фигура 1). Взятые вместе, эти исследования показали, что дифференцировка кишечных органоидов in vitro может в значительной степени повторять развитие in vivo человека, что позволяет использовать эту систему для изучения генетических заболеваний, связанных с развитием кишечника человека (рис. 2).

    С момента первой публикации протокола дифференцировки кишечных органоидов на основе hPSC, сообщалось о различных модификациях. В одной стратегии Forster et al. (2014) трансплантировали мышам hESC, содержащие репортерный ген LGR5-GFP, для создания тератом, которые содержат предполагаемые кишечные клетки LGR5 + , которые были выделены и культивированы в 3D для образования органоидов кишечника.Органоиды кишечника, полученные с помощью этого метода, содержат типы зрелых кишечных клеток, в том числе взрослые стволовые клетки кишечника LGR5 + . Однако частота и эффективность образования тератомы, содержащей клетки кишечника LGR5 + , неизвестны, что ограничивает практическое применение. Takahashi et al. (2018) сообщили, что добавление WNT3A и FGF2 вместе с активином A увеличивало эффективность дифференцировки DE, что впоследствии увеличивало частоту образования сфероидов на стадии формирования паттерна средней / задней кишки.В том же исследовании был разработан протокол на основе суспензии без матригеля для культивирования кишечных органоидов с использованием коммерчески доступной среды под названием Happy Cell ASM 3D Culture Medium. Использование таких суспензионных культур органоидов без использования каркаса могло бы облегчить извлечение органоидов для различных анализов, в частности для скрининга лекарств, и важно для будущего перевода в клинические приложения.

    В другом исследовании энтеросферы, содержащие передние предшественники NKX2.1 + легких и задние предшественники CDX2 + среднего / заднего кишечника, были получены из DE, полученного с использованием ранее установленного 11-дневного протокола дифференцировки в монослой (Nadkarni et al., 2017). Легкие-предшественники постепенно истощались, и большинство клеток в энтеросфере превратились в кишечные клетки CDX2 + при культивировании в среде 3D Matrigel и MTEC, типе среды, подходящей для выращивания большинства типов клеток. Это исследование также подчеркнуло важность различных факторов роста в культуральной среде для индукции дифференцировки в отношении различных типов кишечных клеток или поддержания популяций стволовых клеток в энтеросфере. В то время как комбинация WNT3A, EGF, Noggin и R-спондина достаточна для дифференцировки энтероцитов, энтероэндокринных клеток и клеток Панета, ингибирование передачи сигналов Notch резко индуцировало спецификацию бокаловидных клеток.Кроме того, популяция стволовых клеток LGR5 + значительно обогащается за счет увеличения среды гастрином и никотинамидом вместе с ингибированием передачи сигналов TGF-β и p38 MAPK, что делает возможным долгосрочное размножение энтеросфер (Nadkarni et al., 2017). .

    Большинство исследований показали, что созревание кишечных органоидов, происходящих из hPSC, может быть достигнуто только трансплантацией in vivo под капсулу почки мышей NSG (Watson et al., 2014; Finkbeiner et al., 2015; Мунера и др., 2017; Цай и др., 2017). Используя стратегию трансплантации in vivo , был выяснен процесс созревания органоидов кишечника человека во время перехода от плода к взрослому (Finkbeiner et al., 2015; Таблица 1). Более того, такие методы можно использовать для идентификации системных гуморальных сигналов во время повреждения или регенерации, которые способствуют созреванию и разрастанию типов кишечных клеток (Watson et al., 2014). Одно заслуживающее внимания наблюдение состоит в том, что мезенхимальный компартмент органоидов кишечника играет важную роль в расширении и приживлении этих органоидов, поскольку органоиды без мезенхимы не смогли размножить in vitro или приживить in vivo (Watson et al., 2014; Надкарни и др., 2017).

    Моделирование рака прямой кишки с использованием органоидов кишечника

    Колоректальный рак — вторая ведущая причина смерти от рака во всем мире. Мутация гена adenomatous polypopsis coli ( APC ) является основной причиной колоректального рака, обнаруживаемой в ~ 85% случаев. Последние достижения в технологии редактирования генов в сочетании с протоколами для органоидов кишечника, полученных из hPSC, позволили моделировать колоректальный рак с отдельными мутациями-драйверами с особым акцентом на инициирующих событиях этого заболевания.Crespo et al. (2017) сгенерировали органоиды толстой кишки с использованием hiPSC, полученного от пациентов с семейным аденоматозным полипопсисом (FAP), несущих мутации зародышевой линии гена APC , для моделирования патогенеза FAP in vitro (Таблица 1). Органоиды толстой кишки FAP-hiPSC проявляли повышенную сигнальную активность Wnt и демонстрировали повышенную пролиферацию эпителия. Затем эту платформу использовали для скрининга лекарств, которые могут ингибировать активность Wnt и восстанавливать нормальную пролиферацию органоидов FAP.В другом исследовании изогенные кишечные органоиды, полученные из ИПСК, содержащие мутации АРС, были использованы, чтобы показать, что гетерозиготность АРС в этих органоидах достаточна для индукции изменений полярности и идентичности клеток, паттернов экспрессии генов, а также хромосомных аберраций (признак колоректального рака). , предоставляя новое понимание самых ранних событий инициации APC-опосредованного опухолегенеза колоректального рака (Sommer et al., 2018; Рисунок 2; Таблица 1). В будущем использование этой органоидной платформы толстой кишки, полученной из hPSC, будет способствовать пониманию того, как другие основные мутации способствуют прогрессированию и метастазированию колоректального рака.

    hPSC-кишечные органоиды для моделирования желудочно-кишечных бактериальных и вирусных инфекций

    Желудочно-кишечные инфекции, вызванные бактериями, вирусами и паразитами, вызывают гастроэнтерит с такими симптомами, как диарея, рвота и боль в животе. Способность полностью понять, как эти патогены взаимодействуют с клетками кишечника человека, чтобы вызвать заболевание, была затруднена из-за неспособности эффективно изолировать, культивировать и размножать патогены in vitro , особенно для энтеросолюбильных вирусов.Органоиды кишечника человека, полученные либо из чПСК, либо из взрослых стволовых клеток, недавно были использованы для изучения патогенеза некоторых инфекционных патогенов, которые было трудно вырастить в 2D-клеточных линиях. Первое сообщение об использовании кишечных органоидов, полученных из hPSC, для моделирования вирусных желудочно-кишечных инфекций было сделано группой Estes (Finkbeiner et al., 2012; Таблица 1), которая показала, что эти органоиды способны поддерживать репликацию клинически изолированных ротавирусов и образование инфекционных заболеваний. потомство вируса.Удивительно, но этот вирус способен инфицировать как эпителиальные, так и мезенхимальные компоненты органоидов кишечника, что указывает на то, что это многообещающая платформа для моделирования не только ротавирусной инфекции, но и других связанных с вирусами причин гастроэнтерита (рис. 2).

    Кишечные бактериальные желудочно-кишечные инфекции, особенно вызываемые патогенными видами Salmonella , вызывают более 90 миллионов случаев гастроэнтерита и 20 миллионов случаев брюшного тифа в год (Mather, 2013).Мышиные модели обычно используются для изучения патогенеза гастроэнтерита, связанного с Salmonella , но болезнь и симптомы различаются у мышей и людей, что вызывает необходимость в лучшей модели этой инфекции (Mather, 2013). Путем инъекции Salmonella enterica серовара Typhimurium в просвет hPSC-кишечных органоидов Forbester et al. (2015) показали, что в инфицированных органоидах бактерии способны проникать в эпителий кишечника, образовывать внутриклеточные вакуоли, содержащие Salmonella , и индуцировать экспрессию генов цитокинов (Таблица 1).Хотя культивировать и изучать патогенные механизмы аэробных бактерий in vitro относительно просто, выращивание анаэробных бактерий в клеточных линиях было сложной задачей, поскольку для роста кишечных клеток требуется кислород. Лесли и др. (2015) показали, что Clostridium difficle , анаэроб и частая причина инфекционной нокосомиальной диареи, может выжить до 12 часов при введении в просвет органоидов кишечника, полученных из hPSC, что позволяет бактериям взаимодействовать с эпителием хозяина. учился.После заражения эта бактерия вызвала нарушение кишечного эпителия, что привело к потере параклеточной барьерной функции, которая в основном опосредована токсином TcdA. Эти исследования подчеркивают перспективность этой платформы для понимания механизмов заболеваний, вызывающих другие бактериальные и простейшие гастроэнтериты, как аэробные, так и анаэробные, которые ранее не исследовались на других моделях. Эту платформу также можно использовать для поиска лучших методов лечения с помощью скрининга лекарств для нацеливания на патогены, для которых нет эффективных терапевтических агентов.

    Преимущества органоидов на основе hPSC для изучения болезней человека

    Мы выделили некоторые преимущества использования платформы энтодермальных органоидов для моделирования развития и заболевания. Здесь мы кратко резюмируем общие преимущества этой системы. Очевидно, что энтодермальные органоиды, происходящие из hPSC, обладают несколькими значительными преимуществами по сравнению с 2D системами культивирования в отношении различных аспектов биологии развития кишечника человека, включая спецификацию клональной судьбы и формирование регионального паттерна органов.Поскольку процесс дифференцировки hPSC в органоид в значительной степени напоминает развитие in vivo , органоиды, полученные из hPSC, обеспечивают уникальную модель для изучения механизмов, лежащих в основе эмбриональных дефектов и заболеваний, которые связаны с этими дефектами. Вместе с достижениями в технологии редактирования генов, целевые мутации или коррекция мутировавших генов могут выполняться относительно эффективно на уровне hPSC перед дифференцировкой в ​​разные клоны и на уровне органоидов до аутотрансплантации.

    Кроме того, основным преимуществом этой системы является неограниченный запас исходных материалов, из которых могут быть получены эти органоиды, благодаря способности hPSCs самообновляться и дифференцироваться. Это впоследствии позволяет производить крупномасштабные органоиды для различных анализов, включая скрининг лекарств и трансплантацию in vivo . Скрининг лекарств и проверка производных лекарств на животных моделях не только дорогостоящи, но и сопряжены с неопределенностью эффективности из-за фундаментальных различий в физиологии между моделями человека и мыши.Таким образом, органоиды, полученные из hPSC, предлагают экономичный и надежный подход для преодоления этих ограничений.

    Ограничение органоидов, производных чПСК

    Система чПСК-органоид не лишена ограничений. В то время как некоторые из описанных моделей hPSC-органоидов совместно развивают поддерживающую мезенхиму в процессе дифференцировки, в системе по-прежнему отсутствуют некоторые стромальные компоненты, такие как сосудистая сеть, нейроны, лимфатические и иммунные клетки, которые не позволяют моделировать заболевания, при которых эти стромальные компоненты играют важную роль в развитии болезни.Кроме того, приживление органоидов in vivo сильно усиливается за счет присутствия мезенхимальных клеток (Watson et al., 2014; Nadkarni et al., 2017) или совместного культивирования органоидов с эндотелиальными клетками перед трансплантацией (Takebe et al. ., 2013). Таким образом, представляется весьма вероятным, что для достоверного моделирования микроокружения болезни потребуется оптимизация методологий совместного культивирования органоидов с различными стромальными компонентами, например, как показано недавно опубликованными культурами на границе раздела воздух-жидкость для органоидов опухоли (Li et al. ., 2016; Neal et al., 2018).

    Большинство исследований основано на приживлении in vivo для достижения созревания органоидов (Finkbeiner et al., 2015; Huang et al., 2015; Nadkarni et al., 2017). Основываясь на идее о том, что эпителий кишечника взрослого человека взаимодействует с иммунными клетками слизистой оболочки кишечника для поддержания гомеостаза кишечника и иммунитета слизистых оболочек, и что иммунные клетки могут играть важную роль в созревании кишечных клеток, в последнее время были предприняты попытки генерировать зрелые клетки, производные от hPSC. кишечные органоиды in vitro путем совместного культивирования с Т-клетками Jurkat (Jung et al., 2018). Интерлейкин-2, секретируемый Т-клетками Jurkat, активировал передачу сигналов STAT3 и отвечал за созревание органоидов кишечника, производных hPSC. Было бы интересно узнать, могут ли сходные принципы применяться для ускорения созревания др. Происходящих из hPSC энтодермальных органоидов.

    Матригель и коллаген I типа являются двумя обычно используемыми компонентами внеклеточного матрикса, которые используются для поддержки роста трехмерных органоидных культур in vitro . Есть несколько недостатков, связанных с использованием этих компонентов ECM.Во-первых, они производятся линиями клеток животных, что исключает их использование в клинических испытаниях на людях. Кроме того, существуют вариации факторов роста и концентрации ЕСМ от партии к партии во время производства, особенно при производстве Матригеля. Хотя доступны версии Матригеля с пониженным содержанием фактора роста, плохо определенные концентрации ЕСМ могут также повлиять на жесткость и пористость полимеризованного Матригеля. Это может привести к отсутствию согласованности в дифференцировке органоидов, поскольку образование стволовых клеток и клеток-предшественников и дифференцировка различных типов клеток требует разной жесткости поддержки ECM (Gjorevski et al., 2016). Кроме того, методы извлечения органоидов из каркасов ЕСМ для последующей обработки относительно сложны и могут повлиять на последующий анализ (Takahashi et al., 2018). Таким образом, требуются альтернативные методы культивирования органоидов человека. Долгосрочное культивирование и клиническое применение гарантируют переход к более определенному и механически динамическому ECM, чтобы в полной мере использовать потенциал технологии hPSC-органоидов. Гибридный гидрогелевый каркас из ПЭГ, не содержащий животных, для культивирования кишечных органоидов был описан Gjorevski et al.(2016) и Cruz-Acuna et al. (2017), в которых жесткость матрицы может регулироваться динамически. Такие дизайнерские матрицы с настраиваемыми структурами каркасов могут стать матрицами следующего поколения, которые расширят применимость органоидов в исследованиях на людях.

    Перспективы

    Биоинженерные технологии соответствуют технологии hPSC-органоидов

    Возможность создания культур органоидов человека, которые напоминают определенные органы, происходящие из энтодермы, открыла огромные возможности для использования органоидов не только для моделирования заболеваний, но и в качестве источника для терапии замещения клеток или даже трансплантации целых органов.В следующие 5-10 лет мы предвидим гораздо более глубокое понимание влияния различных типов стромальных клеток на рост и созревание органоидов, происходящих из hPSC. Культивирование различных типов стромальных клеток часто требует разного состава и жесткости ВКМ для оптимального роста органоидов. Таким образом, будет сложно найти оптимальные условия для совместного культивирования этих типов клеток с органоидами. Дополнительные исследования, посвященные интеграции биоинженерных технологий с органоидами, полученными из hPSC, могут способствовать открытию таких идеальных условий совместного культивирования.Это потребует разработки усовершенствованного синтетического ECM, в котором механические характеристики, такие как жесткость, могут модулироваться пространственно и временно. Некоторые из этих регулируемых синтетических ECM были использованы для изучения миграции клеток (Raeber et al., 2005; Kloxin et al., 2009; Guvendiren and Burdick, 2012). Сюда входят фоторазлагаемые гидрогели, содержащие фотолабильные (Kloxin et al., 2009) или фотоинициаторные (Guvendiren and Burdick, 2012) фрагменты в сетевом каркасе гидрогеля, позволяющие пространственное и временное смягчение или повышение жесткости ECM с использованием различных длин волн света.В дополнение к модуляции светом, точная настройка жесткости ECM также может быть достигнута с помощью регулировки pH путем включения комбинации pH-чувствительного поли (2- (диизопропиламино) этилметакрилата) (PDPA) и биосовместимого поли (2- (метакрилоилокси) этилфосфорилхолин) (PMPC) в основные цепи гидрогеля. Варианты и применение этих синтетических каркасов были подробно рассмотрены Silva et al. (2019). В будущем эти регулируемые синтетические каркасы не только позволят оптимальное совместное культивирование различных типов клеток с органоидами, но также могут быть использованы для установления градиентов факторов роста в культуре как в пространстве, так и во времени, что позволит точно определять дифференцировку и функциональные состояния. контролируется.

    Способность генерировать естественный бесклеточный тканевый каркас, который мог бы поддерживать частичный или даже рост целого органа in vitro , резко сместил бы область в сторону трансплантации всего органа. Китано и др. (2017) показали, что децеллюляризованный матрикс кишечника крысы, состоящий только из ECM кишечника, может быть повторно заселен органоидами кишечника, производными hPSC, которые затем дифференцируются в монослой поляризованного кишечного эпителия. Однако, когда каркас был повторно заселен как эндотелиальными клетками человека, так и органоидами, полученными из hPSC, архитектура кишечника с криптоподобными и ворсиноподобными структурами была усилена обширной функциональной сосудистой сетью.Эта стратегия была успешно применена к децеллюляризованному матриксу кишечника свиней (Kitano et al., 2017). С возможностью включения других типов поддерживающих кишечных клеток такие имплантируемые биоинженерные трансплантаты кишечника, полученные из органоидов, полученных от пациентов, могли бы обеспечить альтернативную стратегию лечения пациентов, страдающих синдромом короткой кишки или даже колоректальным раком.

    Точное моделирование болезни in vivo с использованием гуманизированных моделей мышей

    Другой областью, требующей внимания, является разработка улучшенной платформы in vivo для точного приживления, которая может точно моделировать развитие органов, а также патогенез и прогрессирование заболевания.В настоящее время большая часть созревания и оценки органоидной функции, полученной из hPSC, и мутантного фенотипа осуществляется путем трансплантации in vivo иммунодефицитным мышам NSG, у которых отсутствует компетентная иммунная среда. Это ограничивает использование этих моделей для изучения взаимодействия эпителиальных клеток с иммунной системой при некоторых воспалительных заболеваниях. Недавняя разработка гуманизированных моделей мышей может преодолеть это ограничение, позволяя более точно моделировать патологию этих заболеваний.Модель гуманизированной мыши представляет собой мышь с иммунодефицитом, прививаемую человеческими гемопоэтическими стволовыми клетками, которые могут давать начало множеству иммунных клеток человека на протяжении всей жизни животного (Lan et al., 2006; Kalscheuer et al., 2012; Lavender et al. др., 2013). Из-за наличия интактной иммунной системы человека такие гуманизированные мышиные модели особенно ценны для моделирования патологии заболевания в качестве мощной доклинической модели для оценки новых терапевтических средств в условиях in vivo , не подвергая пациентов риску.В будущем тандемное использование этой платформы с технологией органоидов на основе hPSC обеспечит более строгий и целостный подход к моделированию множества типов сложных заболеваний человека, таких как воспалительное заболевание кишечника, инфекционные заболевания и различные виды рака.

    Редактирование генома и органоиды, полученные из чПСК

    Достижения в технологиях редактирования генома, таких как CRISPR-Cas9, открывают возможности для коррекции генов или изучения конкретных мутаций в процессе развития и болезни.Редактирование генов в органоидах, полученных из hPSC, уже может применяться для определения патогенности специфических для пациента мутаций и для тестирования потенциальных новых методов лечения для точной медицины. Остается еще много проблем, прежде чем отредактированные геном органоиды, полученные из hPSC, смогут быть привиты человеку для лечения заболеваний; к ним относятся относительно низкая эффективность редактирования гена с одним основанием и нецелевые эффекты, вызываемые Cas9. С установлением эффективного редактирования генов в органоидах редактирование органоидов, полученных из hPSC, теперь может выполняться на любой из двух стадий: стадии плюрипотентных стволовых клеток или стадии органоида, что позволяет изучать специфичные для стадии функции генов на обоих уровнях.В ближайшем будущем эти технологии должны быть использованы для создания моделей индуцибельного нокаута или сверхэкспрессии генов, которые позволят анализировать пространственно-временные воздействия, вызванные конкретными мутациями, особенно для генов, которые имеют многофазные функции. Кроме того, разработка дополнительных репортеров, специфичных к типу клеток, будет способствовать мониторингу эффективности дифференцировки, для отслеживания клонов in vivo при приживлении или для выделения определенных типов клеток после трансплантации in vivo для последующего анализа.

    Конфликт интересов: Не объявлен.

    Список литературы

    Agarwal

    S.

    ,

    Holton

    K.L.

    ,

    Lanza

    R.

    (

    2008

    ).

    Эффективная дифференциация функциональных гепатоцитов от эмбриональных стволовых клеток человека

    .

    Стволовые клетки

    26

    ,

    1117

    1127

    .

    Амин

    С.

    ,

    Повар

    Б.

    ,

    Чжоу

    Т.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Открытие кандидата на лекарство от GLIS3-ассоциированного диабета

    .

    Нац. Коммуна

    .

    9

    ,

    4815

    .

    Azzarelli

    R.

    ,

    Руландс

    S.

    ,

    Nestorowa

    S.

    , и другие. (

    2019

    ).

    Фосфорилирование нейрогенина 3 контролирует эффективность репрограммирования органоидов протоков поджелудочной железы в эндокринные клетки

    .

    Sci. Представитель

    8

    ,

    15374

    Бахарванд

    Х.

    ,

    Хашеми

    S.M.

    ,

    Каземи Аштиани

    S.

    , и другие. (

    2006

    ).

    Дифференциация эмбриональных стволовых клеток человека в гепатоциты в системах культивирования 2D и 3D

    in vitro.

    Внутр. J. Dev. Биол

    .

    50

    ,

    645

    652

    .

    Баркаукас

    C.E.

    ,

    Chung

    M.I.

    ,

    Fioret

    B.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Органоиды легких: использование в настоящее время и перспективы на будущее

    .

    Девелопмент

    144

    ,

    986

    997

    .

    Бургнер

    Д.

    ,

    Jamieson

    S.E.

    ,

    Блэквелл

    J.M.

    (

    2006

    ).

    Генетическая предрасположенность к инфекционным заболеваниям: большой — красивый, а крупный — еще лучше?

    Ланцетная инфекция.Дис.

    6

    ,

    653

    663

    .

    Кливерс

    H.

    (

    2016

    ).

    Моделирование развития и болезней с помощью органоидов

    .

    Ячейка

    165

    ,

    1586

    1597

    .

    Коломбо

    К.

    (

    2007

    ).

    Болезнь печени при муковисцидозе

    .

    Curr. Opin. Pulm. Мед

    .

    13

    ,

    529

    536

    .

    Креспо

    М.

    ,

    Вилар

    E.

    ,

    Цай

    С.Ю.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Органоиды толстой кишки, полученные из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, для моделирования колоректального рака и тестирования лекарств

    .

    Нац. Мед

    .

    23

    ,

    878

    884

    .

    Крус-Акуна

    р.

    ,

    Quirós

    M.

    ,

    Фаркас

    А.E.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Синтетические гидрогели для образования органоидов кишечника человека и заживления ран толстой кишки

    .

    Нац. Ячейка Биол

    .

    19

    ,

    1326

    1335

    .

    Резка

    G.R.

    (

    2015

    ).

    Генетика муковисцидоза: от молекулярного понимания к клиническому применению

    .

    Нац. Ред. Genet

    .

    16

    ,

    45

    56

    .

    Де Морган

    W.

    ,

    Дрю

    г.

    (

    1914

    ).

    Исследование реституционных масс, образованных диссоциированными клетками гидроидов Antennularia ramosa и A. антеннина

    .

    J. Mar. Biol. Доц. Великобритания

    10

    ,

    440

    463

    .

    Дианат

    Н.

    ,

    Dubois-Pot-Schneider

    H.

    ,

    Steichen

    C.

    , и другие.(

    2014

    ).

    Получение функциональных холангиоцитоподобных клеток из плюрипотентных стволовых клеток человека и клеток HepaRG

    .

    Гепатология

    60

    ,

    700–7

    14

    .

    Дрост

    Дж.

    ,

    Клеверс

    Х.

    (

    2017

    ).

    Трансляционные приложения органоидов, полученных из взрослых стволовых клеток

    .

    Девелопмент

    144

    ,

    968

    975

    .

    Дурье

    W.R.

    ,

    Доэрти

    J.K.

    (

    1954

    ).

    Ядерные и цитоплазматические органоиды в живой клетке

    .

    Ann. NY Acad. Sci

    .

    58

    ,

    1210

    1231

    .

    Дюваль

    К.

    ,

    Grover

    H.

    ,

    Хан

    L.H.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Моделирование физиологических событий в 2D vs.3D клеточная культура

    .

    Физиология

    32

    ,

    266

    277

    .

    Краситель

    Б.Р.

    ,

    Hill

    D.R.

    ,

    Фергюсон

    MA

    , и другие. (

    2015

    ).

    Получение in vitro органоидов легких, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека

    .

    eLife

    4

    ,

    e05098

    .

    Ehrmann

    R.L.

    ,

    Гей

    г.О.

    (

    1956

    ).

    Рост клеток на прозрачном геле из восстановленного коллагена крысиного хвоста

    .

    J. Natl Cancer Inst.

    16

    ,

    1375

    1403

    .

    Эйраку

    М.

    ,

    Ватанабэ

    К.

    ,

    Мацуо-Такасаки

    М.

    , и другие. (

    2008

    ).

    Самоорганизованное образование поляризованных корковых тканей из ЭСК и его активное манипулирование внешними сигналами

    .Стволовая клетка

    3

    ,

    519

    532

    .

    Emerman

    J.T.

    ,

    Пителка

    D.R.

    (

    1977

    ).

    Поддержание и индукция морфологической дифференциации диссоциированного эпителия молочных желез на плавающих коллагеновых мембранах

    .

    In Vitro

    13

    ,

    316

    328

    .

    Фатехуллах

    A.

    ,

    Тан

    S.H.

    ,

    Баркер

    Н.

    (

    2016

    ).

    Органоиды как модель развития человека и болезней in vitro

    .

    Нац. Ячейка Биол

    .

    18

    ,

    246

    254

    .

    Финкбайнер

    S.R.

    ,

    Freeman

    J.J.

    ,

    Вик

    М.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Создание тканевой инженерии тонкого кишечника с использованием кишечных органоидов человека, полученных из эмбриональных стволовых клеток

    .

    Biol. Открыть

    4

    ,

    1462–14

    72

    .

    Финкбайнер

    S.R.

    ,

    Цзэн

    X.L.

    ,

    Утама

    Б.

    , и другие. (

    2012

    ).

    Органические кишечные органоиды человека, полученные из стволовых клеток, как модель инфекции ротавирусов

    .

    мБио

    3

    ,

    e00159

    12

    .

    Forbes

    T.A.

    ,

    Howden

    S.E.

    ,

    Лоулор

    К.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Почечные органоиды, полученные от пациентов с ИПСК, демонстрируют функциональное подтверждение цилиопатического почечного фенотипа и выявляют лежащие в основе патогенетические механизмы

    .

    Am. J. Hum. Genet

    .

    102

    ,

    816

    831

    .

    Форбестер

    J.L.

    ,

    Гулдинг

    Д.

    ,

    Vallier

    L.

    , и другие.(

    2015

    ).

    Взаимодействие Salmonella enterica serovar typhimurium с кишечными органоидами, полученными из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Заражение. Иммун

    .

    83

    ,

    2926

    2934

    .

    Форстер

    р.

    ,

    Чиба

    К.

    ,

    Schaeffer

    L.

    , и другие. (

    2014

    ).

    Кишечная ткань человека со свойствами взрослых стволовых клеток, полученная из плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Репродукция стволовых клеток

    .

    2

    ,

    838

    852

    .

    Газизаде

    З.

    ,

    Kao

    D.I.

    ,

    Амин

    С.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Ингибирование ROCKII способствует созреванию β-подобных клеток поджелудочной железы человека

    .

    Нац. Коммуна

    .

    8

    ,

    298

    .

    Gjorevski

    N.

    ,

    Sachs

    N.

    ,

    Манфрин

    А.

    , и другие. (

    2016

    ).

    Конструктор матриц для культуры кишечных стволовых клеток и органоидов

    .

    Природа

    539

    ,

    560

    564

    .

    Годиенко

    С.М.

    (

    1964

    ).

    Органоидная тератома носа у младенца

    .

    Вестн. Оториноларингол

    .

    26

    ,

    92

    94

    .

    Guo

    M.

    ,

    Чжан

    Т.

    ,

    Донг

    X.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Использование hESC для исследования взаимодействия генов CDKAL1 и MT1E, связанных с диабетом

    .

    Cell Rep

    .

    19

    ,

    1512

    1521

    .

    Guvendiren

    M.

    ,

    Burdick

    J.A.

    (

    2012

    ).

    Придание жесткости гидрогелям для исследования краткосрочных и долгосрочных клеточных реакций на динамическую механику

    .

    Нац. Коммуна

    .

    3

    ,

    792

    .

    Ho

    B.X.

    ,

    Pek

    N.M.Q.

    ,

    Soh

    B.S.

    (

    2018

    ).

    Моделирование заболеваний с использованием трехмерных органоидов, полученных из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Внутр. J. Mol. Sci

    .

    19

    ,

    936

    .

    Hohwieler

    M.

    ,

    Иллингм

    А.

    ,

    Герман

    П.С.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Ацинарные / протоковые органоиды, происходящие из плюрипотентных стволовых клеток человека, образуют поджелудочную железу человека при ортотопической трансплантации и позволяют моделировать заболевание

    .

    Кишечник

    66

    ,

    473

    486

    .

    Hohwieler

    M.

    ,

    Мюллер

    М.

    ,

    Frappart

    P.O.

    , и другие. (

    2019

    ).

    Предшественники и органоиды поджелудочной железы как предпосылка для моделирования заболеваний и рака поджелудочной железы

    .

    Stem Cells Int. 2019

    ,

    82

    .

    Holtfreter

    J.

    (

    1948

    ). Механизм эмбриональной индукции и его связь с партеногенезом и злокачественными новообразованиями. Symp. Soc. Exp. Биол. 2,

    17

    49

    .

    Хуан

    Л.

    ,

    Holtzinger

    A.

    ,

    Джаган

    I.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Моделирование протокового рака поджелудочной железы и скрининг лекарств с использованием человеческих плюрипотентных стволовых клеток и опухолевых органоидов, полученных от пациентов

    .

    Нац. Мед

    .

    21

    ,

    1364

    1371

    .

    Huzella

    T.

    (

    1932

    ).

    Ориентация круассанов культур тканей на основе искусственных волокон коагуляции раствора коллагена

    .

    SAC r. Soc. Биол. Париж

    109

    ,

    515

    .

    Юнг

    К.Б.

    ,

    Ли

    Х.

    ,

    Сын

    Ю.С.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Интерлейкин-2 индуцирует созревание in vitro кишечных органоидов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека

    .

    Нац. Коммуна

    .

    9

    ,

    3039

    .

    Кальшойер

    H.

    ,

    Danzl

    N.

    ,

    Оноэ

    Т.

    , и другие. (

    2012

    ).

    Модель для персонализированного анализа иммунной реакции человека in vivo

    .

    Sci. Пер. Мед

    .

    4

    ,

    125

    130

    .

    Ким

    Ю.

    ,

    Ким

    Х.

    ,

    Ко

    U.H.

    , и другие. (

    2016

    ).

    Островковидные органоиды, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, эффективно влияют на чувствительность к глюкозе , in vitro и

    in vivo.

    Sci. Репу

    .

    6

    ,

    35145

    .

    Китано

    К.

    ,

    Schwartz

    D.M.

    ,

    Чжоу

    H.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Биоинженерия функциональных кишечных трансплантатов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток, индуцированных человеком

    .

    Нац. Коммуна

    .

    8

    ,

    765

    .

    Клоксин

    A.M.

    ,

    Каско

    А.М.

    ,

    Salinas

    C.N.

    , и другие. (

    2009

    ).

    Фоторазлагаемые гидрогели для динамической настройки физико-химических свойств

    .

    Наука

    324

    ,

    59

    63

    .

    Кувахара

    A.

    ,

    Озон

    C.

    ,

    Накано

    т.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Образование ниши стволовых клеток, подобных краю ресничек, из самоорганизующейся ткани сетчатки глаза человека

    .

    Нац. Commun.

    6

    ,

    6286

    .

    Lan

    P.

    ,

    Тономура

    Н.

    ,

    Симидзу

    A.

    , и другие. (

    2006

    ).

    Восстановление функциональной иммунной системы человека у мышей с иммунодефицитом посредством комбинированной трансплантации тимуса / желчного пузыря плода человека и клеток CD34 +

    .

    Кровь

    108

    ,

    487

    492

    .

    Ланкастер

    МА

    ,

    Кноблич

    J.A.

    (

    2014

    ).

    Органогенез в чашке: моделирование развития и заболевания с использованием органоидных технологий

    .

    Наука

    345

    ,

    1247

    1251

    .

    Ланкастер

    М.А.

    ,

    Реннер

    м.

    ,

    Мартин

    C.A.

    , и другие. (

    2013

    ).

    Церебральные органоиды моделируют развитие человеческого мозга и микроцефалию

    .

    Природа

    501

    ,

    373

    379

    .

    Лаванда

    K.J.

    ,

    Панг

    W.W.

    ,

    Мессер

    R.J.

    , и другие. (

    2013

    ).

    BLT-гуманизированные мыши C57BL / 6 Rag2 — / — γc — / — CD47 — / — Мыши устойчивы к GVHD и развивают B- и T-клеточный иммунитет к ВИЧ-инфекции

    .

    Кровь

    122

    ,

    4013

    4020

    .

    Лесли

    J.L.

    ,

    Хуанг

    С.

    ,

    Opp

    J.S.

    , и другие.(

    2015

    ).

    Стойкость и выработка токсинов Clostridium difficile в органоидах кишечника человека приводят к нарушению параклеточной барьерной функции эпителия

    .

    Заражение. Иммун

    .

    83

    ,

    138

    145

    .

    Li

    X.

    ,

    Отани

    A.

    ,

    Куо

    К.

    (

    2016

    ).

    Система культивирования на границе раздела воздух-жидкость для трехмерного культивирования органоидов различных первичных тканей желудочно-кишечного тракта

    .

    Methods Mol. Биол

    .

    1422

    ,

    33

    40

    .

    Mather

    A.E.

    (

    2013

    ).

    Исследование подчеркивает различия в популяциях Salmonella животных и человека

    .

    Вет. Рек.

    .

    173

    ,

    233

    .

    McCracken

    K.W.

    ,

    Айхара

    E.

    ,

    Мартин

    Б.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Wnt / β-catenin способствует спецификации дна желудка у мышей и людей

    .

    Природа

    541

    ,

    182

    187

    .

    McCracken

    K.W.

    ,

    Catá

    E.M.

    ,

    Crawford

    C.M.

    , и другие. (

    2014

    ).

    Моделирование человеческого развития и болезней с помощью органоидов желудка, полученных из плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Природа

    516

    ,

    400

    404

    .

    McCracken

    K.W.

    ,

    Хауэлл

    J.C.

    ,

    Wells

    J.M.

    , и другие. (

    2011

    ).

    Создание ткани кишечника человека из плюрипотентных стволовых клеток

    in vitro.

    Нац. Протокол

    .

    6

    ,

    1920

    1928

    .

    Михалопулос

    г.

    ,

    Пито

    H.C.

    . (

    1975

    ).

    Первичная культура паренхиматозных клеток печени на коллагеновых мембранах.Морфологические и биохимические наблюдения

    .

    Exp. Ячейка Res

    .

    94

    ,

    70

    78

    .

    Мур

    B.D.

    ,

    Джин

    р.

    ,

    Осаки

    Л.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Идентификация аланиламинопептидазы (CD13) в качестве поверхностного маркера для выделения зрелых главных ферментных клеток желудка

    .

    Am. J. Physiol. Гастроинтест. Liver Physiol

    .

    309

    ,

    G955 – G9

    64

    .

    Москона

    A.

    ,

    Москона

    H.

    . (

    1952

    ).

    Диссоциация и агрегация клеток зачатков органов раннего куриного эмбриона

    .

    J. Anat.

    86

    ,

    287

    301

    .

    Мунера

    J.O.

    ,

    Сундарам

    Н.

    ,

    Ранкин

    S.A.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Дифференциация плюрипотентных стволовых клеток человека в органоиды толстой кишки посредством временной активации передачи сигналов BMP

    . Стволовая клетка

    21

    ,

    51

    64.e6

    .

    Надкарни

    Р.Р.

    ,

    Abed

    S.

    ,

    Cox

    B.J.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Функциональные энтеросферы, полученные in vitro из плюрипотентных стволовых клеток человека

    .

    Репродукция стволовых клеток

    .

    9

    ,

    897

    912

    .

    Накано

    т.

    ,

    Ando

    S.

    ,

    Таката

    Н.

    , и другие. (

    2012

    ).

    Самообразование глазных бокалов и хранимой стратифицированной нервной сетчатки из человеческих ЭСК

    . Стволовые клетки

    10

    ,

    771

    785

    .

    Нил

    Дж. Т.

    ,

    Li

    X.

    ,

    Чжу

    Дж.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Органоидное моделирование иммунного микроокружения опухоли

    .

    Ячейка

    175

    ,

    1972

    1988

    .

    Nie

    Y.Z.

    ,

    Чжэн

    Ю.В.

    ,

    Огава

    М.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Органоиды печени человека, полученные с помощью нескольких клеток, полученных от одного донора, спасают мышей от острой печеночной недостаточности

    .

    Stem Cell Res. Ther

    .

    9

    ,

    5

    .

    Нишинакамура

    р.

    (

    2019

    ).

    Органоиды почек человека: прогресс и нерешенные проблемы

    .

    Нац. Преподобный Нефрол

    .

    15

    ,

    613

    624

    .

    Огава

    М.

    ,

    Огава

    S.

    ,

    Медведь

    н.э.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Направленная дифференцировка холангиоцитов из плюрипотентных стволовых клеток человека

    .

    Нац. Биотехнология

    .

    33

    ,

    853

    861

    .

    Оучи

    р.

    ,

    Того

    S.

    ,

    Кимура

    м.

    , и другие. (

    2019

    ).

    Моделирование стеатогепатита у людей с помощью органоидов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Ячейка Метаб

    .

    30

    ,

    374

    384.e6

    .

    Pagliuca

    F.W.

    ,

    Millman

    J.Р.

    ,

    Gürtler

    M.

    , и другие. (

    2014

    ).

    Создание функциональных β-клеток поджелудочной железы человека

    in vitro.

    Ячейка

    159

    ,

    428

    439

    .

    Поддон

    F.C.

    ,

    Райт

    К.

    (

    2011

    ).

    Органогенез поджелудочной железы: от зачатка до сплетения и железы

    .

    Dev. Dyn

    .

    240

    ,

    530

    565

    .

    Рэбер

    Г.П.

    ,

    Лутольф

    М.П.

    ,

    Hubbell

    J.A.

    (

    2005

    ).

    Молекулярно сконструированные гидрогели ПЭГ: новая модельная система протеолитически опосредованной миграции клеток

    .

    Biophys. J

    .

    89

    ,

    1374

    1388

    .

    Резания

    A.

    ,

    Bruin

    J.E.

    ,

    Арора

    П.

    , и другие. (

    2014

    ).

    Лечение диабета инсулин-продуцирующими клетками, полученными in vitro из плюрипотентных стволовых клеток человека

    .

    Нац. Биотехнология

    .

    32

    ,

    1121

    1133

    .

    Roelandt

    P.

    ,

    Обейд

    S.

    ,

    Paeshuyse

    J.

    , и другие. (

    2012

    ).

    Гепатоциты, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, поддерживают полную репликацию вируса гепатита С

    .

    Дж. Гепатол

    .

    57

    ,

    246–2

    51

    .

    Русь

    Х.А.

    ,

    Материнская

    A.V.

    ,

    Ринглер

    J.J.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Контролируемая индукция предшественников поджелудочной железы человека продуцирует функциональные β-подобные клетки in vitro

    .

    EMBO J

    .

    34

    ,

    1759

    1772

    .

    Сафиния

    Н.

    ,

    Мингер

    С.Л.

    (

    2009

    ).

    Получение гепатоцитов из эмбриональных стволовых клеток человека

    .

    Methods Mol. Биол

    .

    481

    ,

    169

    180

    .

    Sampaziotis

    F.

    ,

    de Brito

    M.C.

    ,

    Geti

    I.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Направленная дифференцировка индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток в функциональные холангиоцитоподобные клетки

    .

    Нац. Протокол

    .

    12

    ,

    814

    827

    .

    Sampaziotis

    F.

    ,

    de Brito

    M.C.

    ,

    Мадригал

    P.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Холангиоциты, полученные из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, для моделирования заболеваний и проверки лекарственных средств

    .

    Нац. Биотехнология

    .

    33

    ,

    845

    852

    .

    Сасаи

    Ю.

    (

    2013

    ).

    Регенеративная медицина нового поколения: органогенез стволовых клеток в 3D-культуре

    . Стволовая клетка

    12

    ,

    520

    530

    .

    Сато

    Т.

    ,

    Vries

    R.G.

    ,

    Snippert

    H.J.

    , и другие. (

    2009

    ).

    Одиночные стволовые клетки Lgr5 строят структуры крипта-ворсинка in vitro без мезенхимальной ниши

    .

    Природа

    459

    ,

    262

    265

    .

    Schwartz

    R.E.

    ,

    Трехан

    К.

    ,

    Андрус

    Л.

    , и другие. (

    2012

    ).

    Моделирование инфицирования вирусом гепатита С с использованием индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Proc. Natl Acad. Sci. США

    109

    ,

    2544

    2548

    .

    Шамир

    E.R.

    ,

    Эвальд

    А.J.

    (

    2014

    ).

    Трехмерная органотипическая культура: экспериментальные модели биологии и болезней млекопитающих

    .

    Нац. Rev. Mol. Ячейка Биол

    .

    15

    ,

    647

    664

    .

    Прокладка

    J.H.

    ,

    Ким

    Дж.

    ,

    Хан

    Дж.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Панкреатические островковые трехмерные агрегаты, полученные из человеческих эмбриональных стволовых клеток, уменьшают гипергликемию у мышей с индуцированным стрептозотоцином диабетом

    .

    Трансплантация клеток

    .

    24

    ,

    2155

    2168

    .

    Силва

    Т.П.

    ,

    Котовио

    J.P.

    ,

    Бекмана

    Е.

    , и другие. (

    2019

    ).

    Принципы конструирования органоидов на основе плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Stem Cell Int. 2019

    ,

    4508470

    .

    обезьяна

    м.

    ,

    Бисселл

    М.J.

    (

    2016

    ).

    Органоиды: историческая перспектива мышления в трех измерениях

    .

    J. Cell Biol

    .

    216

    ,

    31

    40

    .

    Си-Тайеб

    К.

    ,

    Noto

    F.K.

    ,

    Нагаока

    М.

    , и другие. (

    2010

    ).

    Высокоэффективное создание гепатоцитоподобных клеток человека из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Гепатология

    51

    ,

    297

    305

    .

    Sommer

    C.A.

    ,

    Capilla

    A.

    ,

    Молина-Эстевес

    F.J.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Моделирование мутагенеза APC и семейного аденоматозного полипоза с использованием человеческих iPS-клеток

    .

    PLoS One

    13

    ,

    e0200657

    .

    Спенс

    J.R.

    ,

    Мэйхью

    C.№

    ,

    Ранкин

    S.A.

    , и другие. (

    2011

    ).

    Направленная дифференцировка плюрипотентных стволовых клеток человека в ткань кишечника

    in vitro.

    Природа

    470

    ,

    105

    109

    .

    Штанге

    D.E.

    ,

    Коо

    Б.К.

    ,

    Хуч

    м.

    , и другие. (

    2013

    ).

    Дифференцированные главные клетки Troy + действуют как резервные стволовые клетки, генерируя все клоны эпителия желудка

    .

    Ячейка

    155

    ,

    357

    368

    .

    Staufer

    K.

    ,

    Halilbasic

    E.

    ,

    Траунер

    м.

    , и другие. (

    2014

    ).

    Заболевание печени, связанное с муковисцидозом — еще один черный ящик в гепатологии

    .

    Внутр. J. Mol. Sci

    .

    15

    ,

    13529

    13549

    .

    Streuli

    C.H.

    ,

    Бейли

    Н.

    ,

    Bissell

    M.J.

    (

    1991

    ).

    Контроль дифференцировки эпителия молочных желез: базальная мембрана индуцирует тканеспецифическую экспрессию генов в отсутствие межклеточного взаимодействия и морфологической полярности

    .

    J. Cell Biol

    .

    115

    ,

    1383

    1395

    .

    Такахаши

    Ю.

    ,

    Сато

    С.

    ,

    Курашима

    Ю.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Усовершенствованная система культивирования для индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток кишечных эпителиальных органоидов

    .

    Репродукция стволовых клеток

    .

    10

    ,

    314

    328

    .

    Takebe

    Т.

    ,

    Секин

    к.

    ,

    Эномура

    м.

    , и другие. (

    2013

    ).

    Васкуляризованная и функциональная печень человека из трансплантата зачатка органа, полученного из ИПСК

    .

    Природа

    499

    ,

    481

    484

    .

    Тамминен

    К.

    ,

    Бальбоа

    D.

    ,

    Тойвонен

    S.

    , и другие. (

    2015

    ).

    Взаимодействие в кишечнике и созревание плюрипотентных стволовых клеток человека не зависит от экзогенных FGF4 и R-spondin1

    .

    PLoS One

    10

    ,

    e0134551

    .

    Цай

    Y.H.

    ,

    Наттив

    р.

    ,

    Dedhia

    P.H.

    , и другие. (

    2017

    ).

    Формирование паттерна кишечника, полученного из плюрипотентных стволовых клеток in vitro, повторяет развитие человека in vivo

    .

    Девелопмент

    144

    ,

    1045

    1055

    .

    Watson

    C.L.

    ,

    Mahe

    M.M.

    ,

    Múnera

    J.

    , и другие. (

    2014

    ).

    Модель тонкого кишечника человека in vivo с использованием плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Нац. Мед

    .

    20

    ,

    1310

    1314

    .

    Wilson

    H.V.

    (

    1910

    ).

    Развитие губок из диссоциированных тканевых клеток

    .

    Бык. Бюро рыболовства США

    .

    30

    ,

    1

    30

    .

    Уилсон

    Р.Л.

    ,

    Стивенсон

    н.э.

    (

    2019

    ). Анатомия и физиология желудка. В: Йео, К.Дж. (Ред.). Хирургия пищеварительного тракта Шекелфорда (8-е изд). Филадельфила, Пенсильвания: Эльзевир,

    634

    646

    .

    Вольтер

    J.R.

    (

    1967

    ).

    Пролиферирующий пигментный эпителий. Создание простой органоидной структуры в субрентинальном пространстве человеческого глаза

    .

    Arch. Офтальмол

    .

    77

    ,

    651

    654

    .

    Wu

    F.

    ,

    Wu

    D.

    ,

    Ren

    Y.

    , и другие. (

    2019

    ).

    Получение гепатобилиарных органоидов из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток

    .

    Дж. Гепатол

    .

    70

    ,

    1145

    1158

    .

    Цзэн

    H.

    ,

    Guo

    M.

    ,

    Чжоу

    Т.

    , и другие. (

    2016

    ).

    Изогенная платформа ESC человека для функциональной оценки генов диабета, выявленных в рамках общегеномных ассоциаций, и открытия лекарств

    .Стволовые клетки

    19

    ,

    326

    340

    .

    Чжао

    р.

    ,

    Дункан

    S.A.

    (

    2005

    ).

    Эмбриональное развитие печени

    .

    Гепатология

    41

    ,

    956

    967

    .

    Чжоу

    Т.

    ,

    Kim

    T.W.

    ,

    Чонг

    C.N.

    , и другие. (

    2018

    ).

    Платформа на основе hPSC для обнаружения взаимодействий генов и окружающей среды, которые влияют на выживаемость человеческих β-клеток и дофаминовых нейронов

    .

    Нац. Коммуна

    .

    9

    ,

    4815

    .

    Zorn

    A.M.

    ,

    Wells

    J.M.

    (

    2007

    ).

    Молекулярные основы развития энтодермы позвоночных

    .

    Внутр. Ред. Cytol

    .

    259

    ,

    49

    111

    .

    © Автор (ы) (2020).Опубликовано Oxford University Press от имени Journal of Molecular Cell Biology , IBCB, SIBS, CAS.

    Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинал работа правильно процитирована.

    моделей органоидов и их применение в биомедицинских исследованиях — FullText — Nephron 2015, Vol.130, № 3

    Аннотация

    Последние технические достижения в области стволовых клеток позволили создать in vitro сложные структуры, напоминающие целые органы, называемые органоидами. В большинстве этих подходов используются трехмерные (3D) системы культивирования, которые позволяют клеткам-предшественникам стволовых клеток или тканям самоорганизовываться в трехмерные структуры. Эти системы эволюционировали, методологически и концептуально, из классических экспериментов по реагрегации, показывающих, что диссоциированные клетки эмбриональных органов могут реагировать и воссоздавать первоначальную архитектуру органов.Поскольку органоиды можно выращивать из стволовых клеток человека и из индуцированных пациентами плюрипотентных стволовых клеток, они создают значительные перспективы для моделирования развития и заболеваний, для токсикологических исследований и исследований по открытию лекарств, а также в области регенеративной медицины. Здесь мы описываем исторические достижения в этой области и описываем некоторые из основных недавних достижений в области формирования трехмерных органоидов человека. Наконец, мы подчеркиваем существующие ограничения и выделяем примеры того, как органоидные технологии могут быть применены в биомедицинских исследованиях.

    © 2015 S. Karger AG, Базель


    Введение

    Стволовые клетки (СК) открывают чрезвычайно многообещающие перспективы для исследований и терапии. Сегодня несколько типов клеток могут быть созданы in vitro благодаря удивительному прогрессу, достигнутому в выделении и работе с клетками из различных тканей [1,2], и, что еще более важно, благодаря способности изменять идентичность клеток путем перепрограммирования [3 ] и повторно дифференцирующиеся соматические клетки.Однако, поскольку органы и ткани трехмерны (3D), важные аспекты, влияющие на органогенез, отсутствуют в обычных двумерных (2D) культурах. Эта проблема привела к разработке трехмерных систем, которые позволяют создавать и выращивать in vitro миниатюрные органы, называемые органоидами, способные к органотипическому развитию и выполнять органоспецифические функции.

    Органоиды обычно образуются из клеток-предшественников (ПК), которые либо выделяются из эмбрионов, либо происходят из плюрипотентных стволовых клеток (ПСК) (рис.1). Эти подходы представляют собой концептуальную эволюцию традиционных экспериментов по реагрегации с эмбриональными тканями, демонстрируя, что агрегаты клеток-предшественников могут дифференцироваться и самоорганизовываться в трехмерные структуры, типичные для раннего органогенеза [4,5]. Большинство современных технологий включают формирование паттерна экзогенной ткани с использованием факторов роста, которые определяют идентичность клеток, и внедрение геля внеклеточного матрикса (ЕСМ) с последующей реакгрегацией для стимуляции движения клеток и создания самоорганизующейся трехмерной ткани.

    Рис. 1

    Схематическое изображение образования органоидов из PSCs. Для каждого класса органоидов на этом рисунке показан зародышевый слой происхождения и основные характеристики клеток-предшественников или эпителий, которые могут быть получены из PSC с использованием протоколов дифференцировки in vitro. Эти протоколы резюмируют условия развития с точки зрения ECM и молекулярной среды, которым ESC обычно подвергаются во время органогенеза in vivo. Более подробно стратегии дифференцировки ПСХ, условия культивирования и факторы роста, используемые для получения органоспецифичных клеток-предшественников, описаны в тексте.

    Таким образом, в отличие от двумерных культур клеток, органоидные системы обеспечивают трехмерный рост, движение и дифференциацию клеток, что делает эту технологию эффективной моделью для понимания развития органов, морфогенеза тканей и генетических или молекулярных основ заболеваний. В будущем они также могут быть использованы в исследованиях по тестированию на наркотики и заместительной терапии тканей.

    Ниже мы описываем основные последние достижения в технологии органоидов.

    Органоиды кишечника

    Пищеварительный тракт позвоночных состоит из множества органов, которые возникают из общей примитивной кишечной трубки, которая простирается от рта до заднего прохода.Кишечная трубка образована складкой энтодермального слоя [6], которая подразделяется на три области: переднюю, среднюю и заднюю кишки, каждая из которых формирует определенные органы в заданное время во время эмбрионального развития. Передняя кишка дает начало глотке, пищеводу, желудку, печени, поджелудочной железе, легким и части двенадцатиперстной кишки. Средняя кишка формирует оставшуюся часть двенадцатиперстной кишки, тощую кишку, подвздошную кишку и части толстой кишки. Задняя кишка развивается в остальную часть толстой кишки, за исключением части анального канала [7].

    Группа Клеверса [8,9] впервые продемонстрировала образование трехмерных органоидов кишечника из LGR5-экспрессирующих кишечных СК мыши, которые росли с образованием структур крипта-ворсинки и всех основных типов клеток кишечника в матригеле, богатом ламинином, с добавлением EGF. Агонист Wnt (R-спондин-1) и Noggin (ингибитор BMP). Интересно, что технология кишечных органоидов уже использовалась в качестве потенциальной платформы для персонализированных подходов к медицине, как продемонстрировал анализ человеческого органоида, вызванного форсколином, который позволяет анализировать индивидуальные реакции на лекарства при муковисцидозе [10].Снова используя LGR-5-экспрессирующие SC, на этот раз изолированные из толстой кишки, Sato et al. Вырастили аналогичные органоиды толстой кишки человека и мыши [11]. Эти органоиды взрослых мышей также были способны интегрироваться в поверхностно поврежденную толстую кишку мыши, чтобы воссоздать однослойный эпителий с самообновляющимися, функциональными и гистологически нормальными криптами [12].

    Подобные принципы недавно были применены для получения кишечных органоидов из ПСХ человеческого происхождения. Spence et al. направил монослои как человеческих эмбриональных стволовых клеток (hESC), так и индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC) на формирование дефинитивной энтодермы с использованием Activin A с последующим образованием трехмерного сфероида задней кишки в присутствии FGF4 и Wnt3a [13].Впоследствии эти сфероиды, полученные из PSC, были дополнительно культивированы в проинтестинальной культуральной системе, как описано Sato et al. [9] с образованием органоидов, состоящих из поляризованного столбчатого эпителия, который был сформирован в ворсиноподобные структуры и крипто-подобные пролиферативные зоны, содержащие LGR5-экспрессирующие SCs, функциональные энтероциты, а также бокаловидные клетки, клетки Панета и энтероэндокринные клетки. Примечательно, что эти производные PSC кишечные органоиды также развивают мезенхимальный слой и кишечные субэпителиальные миофибробласты, а также гладкомышечные клетки и фибробласты на более поздних стадиях.Таким образом, одновременное развитие кишечного эпителия и мезенхимы указывает на высоко скоординированное взаимодействие между разными зародышевыми листками в морфогенезе органоидов [13].

    Используя эту систему культивирования в качестве модели для изучения развития кишечника человека, авт. Дополнительно документально подтвердили, что комбинированная активность Wnt3a и FGF4 необходима для спецификации задней кишки, тогда как одного FGF4 достаточно для стимулирования морфогенеза задней кишки. Более того, эта система была применена для исследования мутаций потери функции в NEURG3, которые лежат в основе врожденной мальабсорбционной диареи, предположительно из-за отсутствия кишечных энтероэндокринных клеток [14].Действительно, эксперименты с аденовирусной сверхэкспрессией и shRNA-опосредованным нокдауном NEURG3 продемонстрировали, что развитие кишечных энтероэндокринных клеток сильно зависит от экспрессии NEURG3 [13].

    Совсем недавно эти органоиды были трансплантированы мышам с ослабленным иммунитетом для развития зрелого эпителия и мезенхимы, которые содержали дифференцированные клоны кишечных клеток, функциональные ферменты щеточной каймы, а также субэпителиальный и гладкомышечный слои. Пересаженные ткани кишечника также продемонстрировали пищеварительную функцию, как показали исследования проницаемости и поглощения пептидов, и были способны реагировать на системные сигналы от мыши-хозяина после илеоцекальной резекции [15].

    Недавно McCracken et al. [16] сообщили о первом поколении трехмерных желудочных органоидов человека посредством направленной in vitro дифференцировки hESCs и hiPSCs. Авт. Повторили развитие желудка человека in vivo, индуцируя сначала PSCs с образованием дефинитивных сфероидов энтодермы, которые впоследствии стимулировались ретиноевой кислотой для образования передней кишки. Для обеспечения трехмерного роста и дальнейшей дифференцировки сфероиды были перенесены в культуру Matrigel, дополненную ретиноевой кислотой, что привело к образованию доменов со слизистой желудка и эндокринными клетками и LGR5-экспрессирующими SC.Примечательно, что для изучения этиологии заболевания, опосредованного Helicobacter pylori, они вводили бактерию непосредственно в просвет органоидов и наблюдали, что фактор вирулентности CagA связывает и активирует рецептор c-Met, вызывая пролиферацию эпителия. Этот патофизиологический ответ эпителия делает органоиды многообещающей моделью желудочного заболевания человека.

    Органоиды печени

    Печень имеет энтодермальное происхождение, возникая из выроста вентральной стенки передней кишки, которая развивается в структуру зачатка печени [17].Клетки энтодермы печени, известные как гепатобласты, отделяются от этого зачатка, вторгаются в окружающую мезенхиму и дают начало как гепатоцитам, так и клеткам желчных протоков, тогда как мезенхима обеспечивает фибробласты, звездчатые клетки печени и синусоидальные эндотелиальные клетки [18]. Образование зачатка печени сопровождается развитием сосудистой сети печени, которая формируется в результате комбинации ангиогенеза и васкулогенеза и в конечном итоге становится основным кроветворным органом плода. Таким образом, развитие печени зависит от тонкой оркестровки сигналов между энтодермальными эпителиальными, мезенхимальными и эндотелиальными предшественниками до перфузии крови.

    Ранние исследования развития продемонстрировали, что диссоциированные клетки эмбриональной печени кур могут реагировать и организовываться в секреторные единицы, типичные для печени и соответствующие образованию функциональных желчных протоков. В паренхиме реконструированных тканей также присутствовали гемопоэтические островки, которые продуцировали различные типы клеток крови [19]. Недавние достижения показали, что популяция ПК мышей, которая появляется возле желчных протоков после повреждения печени, может клонально увеличиваться в виде органоидов в 3D-культурах в течение нескольких месяцев.Эти клональные органоиды также можно заставить дифференцироваться in vitro и генерировать функциональные гепатоциты при трансплантации мышам Fah — / — (модель тирозинемии типа I заболевания печени) [20], улучшая выживаемость животных. Точно так же клетки желчных протоков человека могут быть размножены in vitro как бипотентные клетки-предшественники в трехмерные органоиды и преобразованы в функциональные клетки гепатоцитов либо in vitro, либо после трансплантации. Примечательно, что эти органоиды могут быть расширены у пациентов с дефицитом α-1-антитрипсина и синдромом Алажиля и имитировать патологию in vivo, создавая значительные возможности для моделирования заболеваний и индивидуальных медицинских исследований [21].

    Начиная с PSCs, Takebe и его коллеги недавно создали ткани, напоминающие зачатки печени человека [22]. Чтобы повторить ранний органогенез, авт. Культивировали энтодермальные клетки, происходящие из hiPSC, с эндотелиальными клетками пупочной вены человека и мезенхимальными стволовыми клетками человека в Matrigel для создания трехмерных зачатков печени с паттернами экспрессии генов, очень похожими на таковые в печени первичного плода. Примечательно, что вскоре после трансплантации мышиной модели черепного окна зачатки печени, соединенные с сосудистой сетью хозяина, созрели в ткани печени, подобные взрослым, и выполняли специфические для печени функции, такие как производство сывороточного альбумина и специфический для человека метаболизм лекарств.Наконец, трансплантация почек печени человека улучшила выживаемость мышей после лекарственной печеночной недостаточности.

    Хотя остаются без ответа несколько вопросов, например, прямой или косвенный механизм лежит в основе наблюдаемого терапевтического эффекта, эта трансплантация зачатка печени кажется легко переводимым подходом для лечения печеночной недостаточности в конечном итоге.

    Органоиды почек

    Метанефрическая почка имеет мезодермальное происхождение и развивается в самой задней части ствола [23,24,25].Его органогенез начинается со спецификации промежуточной мезодермы (IM) ткани-предшественника почек, которая постепенно расширяется в рострально-каудальном направлении и дает начало как эпителию нефрального протока (ND), так и метанефрической мезенхиме (MM) [26]. . Мочеточниковый зачаток (UB) отходит от ND в виде эпителиального выроста, который вторгается в соседний MM и взаимодействует с ним, образуя разветвленную систему собирательных протоков. В то же время зрелые нефроны и другие производные MM развиваются посредством прогрессивной конденсации, эпителизации и дифференцировки MM, регулируемых ветвлением UB и передачей сигналов [26].

    Как было показано ранее для других органов, доказательства того, что ткань почек может быть способной к самоорганизации, получены из ранних экспериментов по реагрегации. Новаторские исследования Auerbach и Grobstein продемонстрировали, что путем повторной агрегации клеточных суспензий из MM и эмбрионального дорсального спинного мозга, мощного индуктора канальцев, можно генерировать ткани, содержащие рудиментарные нефроноподобные трубчатые структуры [4]. Значительный прогресс в этой области был достигнут благодаря разработке метода, который позволяет простой суспензии эмбриональных клеток почек самоорганизовываться in vitro в «ткань», содержащую незрелые нефроны и UB, без использования какой-либо экзогенной ткани [27].Однако короткое время выживания культур органов in vitro и, что наиболее важно, недостаточность этих систем для поддержки развития васкуляризированных клубочков (фильтрующая единица почек) не позволяли достичь дальнейшего созревания до состояния, напоминающего почки взрослых. Основываясь на этом методе, оптимизированная система реагрегации позволила почечным органоидам созреть in vivo с использованием суспензий эмбриональных клеток почек [28]. При трансплантации под почечную капсулу бестимусных крыс эти ткани становились васкуляризованными, продолжали расти и выполняли специфические для почек функции, включая фильтрацию крови и канальцевую реабсорбцию макромолекул, а также выработку эритропоэтина.Объединив анализ электронной микроскопии и эксперименты по отслеживанию макромолекул, авторы дополнительно документально подтвердили, что органоиды могут воспроизводить, in vivo, сложную трехмерную фильтрующую структуру клубочковых щелей и осуществлять избирательную клубочковую фильтрацию [29]. Более того, эта технология была применена для создания трехмерных химерных органоидов из стволовых клеток амниотической жидкости человека и эмбриональных клеток почек мыши, которые прижились in vivo и выросли с образованием васкуляризированных клубочков и канальцевых структур [30].

    Вышеупомянутые исследования могут предполагать, что, если PC почек или зрелые типы клеток могут быть получены из PSC и подвергнуты определенным условиям, они могут впоследствии пространственно самоорганизоваться с целью создания трехмерных почечных тканей.

    Xia et al. недавно описали эффективный и быстрый протокол для направленной дифференцировки hESCs и hiPSCs в клетки, подобные предшественникам UB, за четыре дня [31]. В первые 2 дня кластеры PSC, культивируемые на матригеле, подвергались воздействию сигналов BMP4 и FGF2, чтобы вызвать мезодермальную фиксацию, тогда как в следующие 2 дня клетки индуцировали приобретение позднего IM / UB-подобного фенотипа в присутствии BMP2, ретиноевого кислота и активин А.Чтобы обеспечить дальнейшее созревание, дифференцированные клетки культивировали совместно с клетками эмбриональных почек мыши с образованием трехмерных химерных органоидов, в которых они демонстрировали интеграцию в развивающиеся химерные структуры UB. Соответственно, учитывая отсутствие экспрессии маркера MM, эти клетки не обнаруживали какой-либо интеграции в компартмент MM [31].

    Taguchi et al. получены MM клетки [25] как из мышиных ESCs (mESCs), так и из hiPSCs, сначала определяя как спецификацию IM, так и MM и UB онтогенетическое происхождение, а затем имитируя их in vitro.Первоначально они обнаружили посредством анализа клонов, что brachyury (T) -положительная задняя мезодерма дает начало MM, тогда как T-отрицательная передняя мезодерма дает начало UB. Затем они оптимизировали протокол дифференцировки для индукции предшественников MM из hPSC. Первоначально EB были индуцированы активином A с последующим воздействием BMP4 и сигнального агониста Wnt CHIR99021, что привело к дифференцировке задней мезодермы. Наконец, нанесение ретиноевой кислоты, а затем FGF9 стимулировало клетки к приобретению идентичности MM.При совместном культивировании с эмбриональным спинным мозгом предшественники MM в индуцированных EB показали способность к дальнейшей дифференцировке и развитию проксимальных и дистальных канальцев и клубочковых структур, содержащих клетки, положительные по маркерам подоцитов и отростков стопы. Когда индуцированные мышиные EB совместно трансплантировали спинной мозг под капсулу почки, у них развивались васкуляризированные клубочки, содержащие эритроциты, демонстрируя связь с кровообращением хозяина.

    Практически одновременно с этими исследованиями Takasato et al.разработали протокол дифференциации для ступенчатой ​​синхронной индукции как UB, так и MM, начиная с hESCs, выращенных в 2D и подвергнутых химически определенным условиям, которые повторяют условия нормального органогенеза почек [32]. Во-первых, hESC были дифференцированы в примитивную полоску, популяцию предшественников как для мезодермы, так и для энтодермы, с помощью стимуляции активином A / BMP4 или, альтернативно, CHIR99021. Поскольку IM обычно возникает из задней примитивной полоски, они индуцировали дифференцировку IM посредством воздействия FGF9.Впоследствии IM-клетки подвергали обработке FGF9 / BMP7 / ретиноевой кислотой или лишали каких-либо факторов роста, что давало предшественники UB и MM в обеих применяемых стратегиях. Повторная агрегация после диссоциации исходных монослойных культур после связывания UB и MM позволила образовать небольшие самоорганизованные органоиды почек. Наконец, когда почечные предшественники реагировали с диссоциированными эмбриональными почками мыши, они генерировали химерные органоиды, в которых почечные предшественники интегрировались во все развивающиеся почечные структуры, включая эпителий мочеточника, почечные пузырьки, мезенхиму предшественников нефронов и почечную строму.

    Значительные будущие успехи в инженерии почечной ткани могут стать возможными благодаря рекомбинации клеток-предшественников UB из группы Бельмонте с предшественниками ММ из группы Нишинакамура, чтобы проверить, можно ли начинать с высокочистых популяций почечных ПК, полученных из различных типов PSC могут управлять органогенезом in vitro.

    Органоиды головного мозга

    Нервная система происходит от нервной эктодермы [33], которая образует нервную пластинку, плоскую пластинку эктодермальных клеток, расположенных дорсально в эмбрионе, которая постепенно образует цилиндрическую эпителиальную структуру, известную как нервная трубка.Вдоль вентрально-дорсальной и рострально-каудальной осей строгий пространственно-временной градиент морфогенов позволяет эпителиальной трубке разделиться на четыре основные области: передний мозг (передний мозг), средний мозг (средний мозг) и ромбовидный мозг (задний мозг) и спинной мозг. шнур. Вторичные пузырьки, выходящие из переднего мозга, дают начало конечному мозгу (полушарии головного мозга) и промежуточному мозгу (таламус и гипоталамус).

    Нейроны и глия ЦНС генерируются из мультипотентных нервных стволовых клеток (НСК), которые располагаются ростро-каудально в нервной трубке [34].Посредством серии изначально симметричных, а затем асимметричных делений NSCs дают начало самообновляющимся предшественникам и более дифференцированным типам клеток, включая нейроны и промежуточные предшественники. Эти более дифференцированные клетки затем мигрируют наружу из доменов нативных NSC, чтобы развить многослойные структуры, такие как продолговатый мозг, покров зрительного нерва и кора головного мозга.

    Новаторские исследования реагрегации с использованием клеток, диссоциированных из мозга куриных эмбрионов E6-9, продемонстрировали, что этот орган сохраняет внутреннюю способность к самоорганизации [35].При обнаружении на более ранних стадиях развития мозга нейральные предшественники цыплят самоорганизуются с образованием кластеров нейроэпителиальных клеток, расположенных радиально вокруг просвета, напоминающего нервную трубку. Эти классические эксперименты показали, что если нейроэпителий может быть получен из PSCs, то, скорее всего, произойдет спонтанная самоорганизация в трехмерные структуры.

    Направленная in vitro дифференцировка PSCs по направлению к кортикальному нейрону показала, что эти клетки проявляют «стандартную» склонность к нейральной дифференцировке при поддержании в минимальных условиях культивирования.Во-первых, Watanabe et al. достигли дифференциации плавающих агрегатов mESC в предшественники телэнцефала, используя бессывороточную культуру, известную как SFEB (бессывороточная плавающая культура агрегатов, подобных эмбриоидным тельцам), в сочетании с 5-дневным воздействием антагонистов Wnt и Nodal [36] . Затем, оптимизируя эту систему культивирования SFEB, та же группа получила человеческие предшественники телэнцефала, которые самоорганизовались в розеточные структуры, напоминающие раннее развитие коры головного мозга [37]. Ключевой конфигурацией в этих экспериментах была быстрая агрегация hESC, чтобы составить культуру SFEB в среде, содержащей компоненты ECM, что дало поляризованный нейроэпителий с апикально-базальной полярностью, который далее подразделялся на характерные желудочковые и субвентрикулярные PC зоны.Эти ПК генерировали разные классы корковых нейронов в соответствующем временном порядке, напоминающем тот, который наблюдается в коре головного мозга мышей E11.5. Кроме того, эти нейроны демонстрировали явные признаки созревания, включая быстроволновые колебания Ca 2+ [37]. Этот метод был дополнительно усовершенствован в более позднем исследовании [38], описывающем многослойную структуру, включающую зоны нейронов и предшественников в правильном апикально-базальном порядке, как это видно в коре человеческого плода в начале второго триместра.

    Другие области мозга также могут быть созданы путем имитации эндогенного паттерна с факторами роста. Ранее для получения различных областей ЦНС из mESCs использовались различные условия среды, включая формирование субпаллиального паттерна [39] и аденогипофиза [40], которые также могут вскоре реплицироваться с использованием источников hPSC. Таким образом, стимуляция нейроэктодермы через стадию БЭ с последующим применением определенных факторов роста может генерировать органоиды для различных отдельных областей мозга.

    Недавно исследователи разработали метод, который позволяет развивать разные области мозга в одном органоиде [41].Этот подход начался с EB, но не было добавлено никаких факторов роста, определяющих идентичность определенных областей мозга. На этот метод повлиял протокол кишечных органоидов, то есть путем встраивания EB в 3D ECM. ECM способствует росту крупных зачатков нейроэпителия, которые затем расширяются и развиваются в различные области мозга, включая передний мозг, задний мозг, спинную кору, префронтальную кору, гиппокамп, затылочную долю сосудистого сплетения и сетчатку, что приводит к термин «мини-мозги».Чтобы смоделировать тяжелую микроцефалию с ранним началом в головном мозге, авторы использовали ИПСК пациента с усекающей мутацией в CDK5RAP2 — гене, решающем для поддержания состояния ПК во время развития. Эти трехмерные органоиды, полученные из hiPSC, демонстрировали редкие нейроэпителиальные зоны ПК и большие домены дифференцированных и зрелых нейронов, что позволяет предположить, что преждевременная дифференцировка вызывает формирование больного фенотипа in vivo. органоидное развитие.

    В совокупности эти результаты обеспечивают доступ к широкому спектру структур ЦНС человека для функциональных исследований и выяснения путей развития мозга. Кроме того, органоиды головного мозга из полученных от пациентов или генетически модифицированных hiPSC могут быть мощным инструментом для моделирования заболеваний ЦНС.

    Органоиды сетчатки

    Сетчатка — это светочувствительная область глаза, происходящая от нервной эктодермы. Зачатки сетчатки возникают из промежуточного мозга и эвагинируют латерально, образуя псевдостратифицированный нейроэпителий, называемый зрительными пузырьками (OVs) [42].Дистальная часть каждого OV становится сенсорной нервной сетчаткой (NR; сенсорная ткань), тогда как проксимальная часть дает начало однослойной ткани, пигментному эпителию сетчатки, продуцирующему меланин (RPE; поддерживающая ткань NR) [43]. Затем OVs подвергаются инвагинации в своей дистальной части [44], чтобы сформировать глазной бокал (OC) с NR и RPE в качестве его внутренней и внешней стенок, соответственно [42]. NR содержит PCs, которые дифференцируются в ганглиозные клетки, фоторецепторы (палочки и колбочки) и поддерживающие типы клеток, все они пространственно организованы в отдельные слои, формирующие характерную многослойную сетчатку [42].

    Сетчатка позвоночных всегда считалась одной из самых мощных моделей реагрегации в исследованиях тканевой инженерии для изучения основ развития нервного слоя [45]. Множество экспериментов на куриных эмбрионах документально подтвердили, что сетчатка имеет замечательную способность воссоздавать различные типы сфер с почти полным расположением слоев сетчатки [46,47], и, как и в других подходах к органоидам, это заложило основу для развития Органоиды сетчатки, происходящие из ПСХ.

    Первое исследование, проведенное с ПСХ для образования органоидов сетчатки, было проведено Eiraku et al. [48], документально подтверждая, что эпителий сетчатки может быть эффективно сгенерирован с помощью трехмерных плавающих EB-подобных агрегатов из mESCs, культивируемых в средах с низким содержанием сыворотки, и компонентов ECM. В этих условиях агрегаты спонтанно формируют полусферические полые везикулы — подобные OVs — из которых проксимальная часть дифференцируется в пигментный эпителий, тогда как дистальная часть постепенно загибается внутрь, формируя форму, напоминающую эмбриональный ОК.Эти ОК-органоиды демонстрировали правильные маркеры NR и RPE и стратификацию сетчатки с надлежащей апикально-базальной полярностью и претерпевали морфологические изменения формы ткани, которые имитируют ступенчатую эвагинацию и инвагинацию ОК in vivo.

    Удивительно, но когда были сформированы органоиды человека, размер ОК был больше, чем в культурах мышей, что отражает межвидовые различия и указывает на то, что масштабирование ткани является внутренним свойством клеток глазного поля мыши и человека [49]. Более того, органоиды сетчатки, происходящие из hESC, имели более толстый NR, который спонтанно изгибался апикально выпуклым образом, не наблюдаемым в культурах mESC, и демонстрировал апикальное ядерное позиционирование.Ткани сетчатки человеческого происхождения требовали больше времени для развития; нервный эпителий был многослойным и состоял из множества дифференцированных палочек и колбочек, тогда как дифференцировка колбочек не наблюдалась в культурах mESC. Это различие согласуется с различными визуальными навыками двух видов из-за их привычек: в сетчатке мышей in vivo колбочек мало, потому что мыши по существу ведут ночной образ жизни, тогда как в сетчатке человека их много, потому что они имеют решающее значение для цветового зрения во время дневное время [50].

    Совсем недавно Assawachananont et al. [51] оптимизировали описанный выше протокол [48], добавив антагонист рецепторов ретиноевой кислоты и увеличив процент нокаута в сыворотке для получения большего количества ткани NR для трансплантации. 3D-листы сетчатки, полученные из ESC или iPSC мыши, дифференцировались в различные типы клеток сетчатки и зрелые фоторецепторы, которые формировали внешний ядерный слой сетчатки (светочувствительная часть глаза) в субретинальном пространстве сильно дегенерирующей сетчатки мыши-хозяина. потенциально предлагая новую терапию трансплантации ткани сетчатки для запущенных дегенеративных заболеваний сетчатки.

    Используя другой подход, Zhu et al. индуцировали образование поляризованных нейроэпителиальных кист путем встраивания небольших кластеров чЭСК в матригель, поддерживающий образование трехмерных эпителиальных кист в присутствии среды нейральной индукции N2B27 [52]. В отсутствие факторов роста эти цисты приобрели подобие глаза, которое было способно генерировать NR при нанесении на фильтры Transwell, тогда как в ответ на активин A они дифференцировались в RPE.

    Таким образом, трехмерные ткани сетчатки, полученные из PSC, воспроизводят основные аспекты развития сетчатки, предоставляя возможность генерировать ткани для медицинских приложений, а также являются ценным инструментом для выяснения поведения и механизмов клеток во время морфогенеза сетчатки.

    Выводы

    Трехмерные методологии культивирования, включая поставку ECM вместе с методами реагрегации и идентификацию индуктивных факторов, которые могут направлять hPSCs вдоль определенной линии, являются высокоэффективными средствами для повторения раннего развития in vitro с целью создания органоидов. Описанные здесь органоидные технологии, несомненно, могут быть ценным инструментом для исследования развития органов и морфогенеза тканей [13,41,49], для моделирования заболеваний [13,16,41], тестирования эффективности и токсичности лекарственных соединений [10] и надеюсь, когда-нибудь создадут ткани для аутотрансплантации [15,20,22,51].Более того, помимо подходов, проанализированных в этом обзоре, разработка «раковых органоидов» [53] создает значительные перспективы для персонализации и оптимизации существующих методов лечения. В будущем исследователи могут также разработать больше человеческих органоидов для щитовидной железы, легких, поджелудочной железы, сердца [54,55,56,57,58] и сенсорного эпителия внутреннего уха [59], используя уже применяемые технологии. успешно у мышей.

    Хотя очевидно, что органоидные технологии обладают огромным потенциалом, все же существуют важные ограничения, которые необходимо преодолеть.В частности, технологии органоидов, разработанные до сих пор, еще не были систематически охарактеризованы с точки зрения того, насколько точно они могут воспроизводить развитие in vivo. Напр., В то время как органоиды сетчатки демонстрируют типичную ламинарную организацию, внешние сегменты не формируются, а фоторецепторы не созревают полностью, чтобы стать светочувствительными [48,49]. Сходным образом церебральные органоиды воспроизводят довольно ранние события в развитии мозга, но типичная слоистая структура зрелой корковой пластинки не может сформироваться полностью [41].

    Проблема созревания является общей проблемой для органоидных технологий и может существенно повлиять на будущие исследования и терапевтический потенциал. Хотя органоиды печени выполняли специфические для печени функции in vivo, такие как выработка белка и специфический для человека метаболизм лекарств, человеческие гепатоциты не были полностью дифференцированы, о чем свидетельствует более низкая секреция альбумина и более низкая экспрессия гепатоцит-специфических ферментов CYP450, чем ранее сообщалось для первичных человеческих гепатоциты [60].

    С другой стороны, трансплантированные кишечные органоиды человека продемонстрировали характеристики зрелого кишечника, такие как поглощение пептидов, но терапевтическое применение потребует дополнительных функций, таких как способность выполнять перистальтические движения, необходимые для перехода пищевого болюса по пищеварительному тракту [15 ].Сходным образом, хотя органоиды почек человека обладают незрелыми нефрон- [25] и UB-подобными [31] структурами, правильное формирование паттерна ткани посредством последовательных поколений ветвления UB все еще необходимо, и возникающие нефроны д. Связываться с единой дренирующей собирающей системой.

    Наиболее важно то, что бессосудистая среда in vitro по-прежнему является серьезным препятствием для органоидов на пути созревания до состояния, напоминающего состояние взрослых органов. В связи с этим будущие исследования будут сосредоточены на разработке биореакторов, которые могут обеспечить лучший обмен питательными веществами [41] или совместное культивирование с эндотелиальными клетками [22].Наиболее многообещающим решением остается трансплантация этих тканей, как это было сделано с зачатками печени [22] и органоидами почек [25,28], которые стимулируют инвазию из сосудистой сети хозяина.

    В будущем органоидные технологии, несомненно, предоставят методологическое окно, которое позволит нам глубже понять человеческое развитие и болезни, а также позволит персонализировать лечение.

    Благодарности

    Авторы выражают благодарность Ракель Родригес Диез за помощь с иллюстрацией, Керстин Миерке за вычитку и редактирование и Мануэлу Пассера за техническую помощь.

    Исследование авторов поддержано Associazione per la Ricerca sul Diabete — Italia и грантом ERC-2010-AdG-268632 RESET. Авторы благодарят Bellco Srl за продолжающуюся финансовую поддержку.

    Заявление о раскрытии информации

    C.X. является соучредителем и управляющим директором ООО «Биореново»; однако он не получил компенсации за эту роль и получил финансирование исследований от Bellco.

    Список литературы

    1. ван Бейнум Дж. Р., Руш М., Кастерманс К., ван дер Линден Э., Гриффиоен А. В.: Изоляция эндотелиальных клеток из свежих тканей.Нат Протокол 2008; 3: 1085-1091.
    2. Сагринати К., Нетти Г.С., Маззинги Б., Лазцери Э, Лиотта Ф, Фросали Ф, Ронкони Э, Мейни К., Гаччи М., Скекко Р., Карини М., Джезуальдо Л., Францини Ф, Магги Е., Аннунциато Ф, Ласаньи Л., Серио М. , Romagnani S, Romagnani P: Выделение и характеристика мультипотентных клеток-предшественников из капсулы Боумена почек взрослого человека.J Am Soc Nephrol 2006; 17: 2443-2456.
    3. Такахаши К., Яманака С. Индукция плюрипотентных стволовых клеток из культур эмбриональных и взрослых фибробластов мыши с помощью определенных факторов. Cell 2006; 126: 663-676.
    4. Auerbach R, Grobstein C: Индуктивное взаимодействие эмбриональных тканей после диссоциации и реагрегации.Exp Cell Res 1958; 15: 384-397.
    5. Москона А, Москона Х: Диссоциация и агрегация клеток из зачатков органов раннего куриного эмбриона. Дж. Анат 1952; 86: 287-301.
    6. Льюис С.Л., Там П.П.: Окончательная энтодерма эмбриона мыши: формирование, судьба клеток и морфогенетическая функция.Дев Дин 2006; 235: 2315-2329.
    7. Рубин Д.К .: Морфогенез кишечника. Курр Опин Гастроэнтерол 2007; 23: 111-114.
    8. Sato T, Vries RG, Snippert HJ, van de Wetering M, Barker N, Stange DE, van Es JH, Abo A, Kujala P, Peters PJ, Clevers H: одиночные стволовые клетки Lgr5 создают структуры крипта-ворсинка in vitro без мезенхимальных клеток. ниша.Природа 2009; 459: 262-265.
    9. Sato T, van Es JH, Snippert HJ, Stange DE, Vries RG, van den Born M, Barker N, Shroyer NF, van de Wetering M, Clevers H: клетки Панета составляют нишу для стволовых клеток Lgr5 в кишечных криптах. Природа 2011; 469: 415-418.
    10. Dekkers JF, Wiegerinck CL, de Jonge HR, Bronsveld I, Janssens HM, de Winter-de Groot KM, Brandsma AM, de Jong NW, Bijvelds MJ, Scholte BJ, Nieuwenhuis EE, van den Brink S, Clevers H, van der Ent CK, Middendorp S, Beekman JM: функциональный анализ CFTR с использованием кишечных органоидов первичного муковисцидоза.Нат Мед 2013; 19: 939-945.
    11. Sato T, Stange DE, Ferrante M, Vries RG, Van Es JH, Van den Brink S, Van Houdt WJ, Pronk A, Van Gorp J, Siersema PD, Clevers H: Долгосрочное распространение эпителиальных органоидов из толстой кишки человека, аденомы , аденокарцинома и эпителий Барретта. Гастроэнтерология 2011; 141: 1762-1772.
    12. Yui S, Nakamura T, Sato T, Nemoto Y, Mizutani T, Zheng X, Ichinose S, Nagaishi T, Okamoto R, Tsuchiya K, Clevers H, Watanabe M: функциональное приживление эпителия толстой кишки, расширенное in vitro от одного взрослого Lgr5 + стволовая клетка. Нат Мед 2012; 18: 618-623.
    13. Спенс Дж. Р., Мэйхью С. Н., Рэнкин С. А., Кухар М. Ф., Валланс Дж. Э., Толле К., Хоскинс Е. Е., Калиниченко В. В., Уэллс С. И., Зорн А. М., Шройер Н. Ф., Веллс Дж. М.: Направленная дифференцировка плюрипотентных стволовых клеток человека в ткань кишечника in vitro.Природа 2011; 470: 105-109.
    14. Wang J, Cortina G, Wu SV, Tran R, Cho JH, Tsai MJ, Bailey TJ, Jamrich M, Ament ME, Treem WR, Hill ID, Vargas JH, Gershman G, Farmer DG, Reyen L, Martin MG: мутантный нейрогенин -3 при врожденной диарее с нарушением всасывания. N Engl J Med 2006; 355: 270-280.
    15. Watson CL, Mahe MM, Múnera J, Howell JC, Sundaram N, Poling HM, Schweitzer JI, Vallance JE, Mayhew CN, Sun Y, Grabowski G, Finkbeiner SR, Spence JR, Shroyer NF, Wells JM, Helmrath MA: An in vivo модель тонкого кишечника человека с использованием плюрипотентных стволовых клеток. Нат Мед 2014; 20: 1310-1314.
    16. McCracken KW, Catá EM, Crawford CM, Sinagoga KL, Schumacher M, Rockich BE, Tsai YH, Mayhew CN, Spence JR, Zavros Y, Wells JM: Моделирование человеческого развития и заболеваний в органоидах желудка, полученных из плюрипотентных стволовых клеток. Природа 2014; 516: 400-404.
    17. Зарет К.С.: Регуляторные фазы раннего развития печени: парадигмы органогенеза.Нат Рев Генет 2002; 3: 499-512.
    18. Чжао Р., Дункан С.А.: Эмбриональное развитие печени. Гепатология 2005; 41: 956-967.
    19. Weiss P, Taylor AC: Восстановление полных органов из одноклеточных суспензий куриных эмбрионов на поздних стадиях дифференцировки.Proc Natl Acad Sci U S A 1960; 46: 1177-1185.
    20. Huch M, Dorrell C, Boj SF, van Es JH, Li VS, van de Wetering M, Sato T, Hamer K, Sasaki N, Finegold MJ, Haft A, Vries RG, Grompe M, Clevers H: расширение сингла in vitro Lgr5 + стволовые клетки печени, индуцированные регенерацией, управляемой Wnt.Природа 2013; 494: 247-250.
    21. Huch M, Gehart H, van Boxtel R, Hamer K, Blokzijl F, Verstegen MM, Ellis E, van Wenum M, Fuchs SA, de Ligt J, van de Wetering M, Sasaki N, Boers SJ, Kemperman H, de Jonge J , Ijzermans JN, Nieuwenhuis EE, Hoekstra R, Strom S, Vries RR, van der Laan LJ, Cuppen E, Clevers H: Долгосрочная культура геном-стабильных бипотентных стволовых клеток из печени взрослого человека.Cell 2015; 160: 299-312.
    22. Takebe T, Sekine K, Enomura M, Koike H, Kimura M, Ogaeri T, Zhang RR, Ueno Y, Zheng YW, Koike N, Aoyama S, Adachi Y, Taniguchi H: васкуляризованная и функциональная печень человека из органа, полученного с помощью ИПСК. пересадка бутонов. Природа 2013; 499: 481-484.
    23. Saxen L: Органогенез почек.Нью-Йорк, издательство Кембриджского университета, 1987.
    24. Дресслер Г.Р .: Успехи в ранней спецификации, развитии и формировании паттерна почек. Разработка 2009; 136: 3863-3874.
    25. Тагучи А., Каку Й., Омори Т., Шармин С., Огава М., Сасаки Х., Нишинакамура Р.: Новое определение происхождения метанефрических предшественников нефронов in vivo позволяет создавать сложные структуры почек из плюрипотентных стволовых клеток.Стволовая клетка клетки 2014; 14: 53-67.
    26. Little MH, McMahon AP: Развитие почек млекопитающих: принципы, прогресс и прогнозы. Cold Spring Harb Perspect Biol 2012; pii: a008300.
    27. Unbekandt M, Davies JA: Диссоциация эмбриональных почек с последующей реакгрегацией позволяет формировать почечные ткани.Kidney Int 2010; 77: 407-416.
    28. Xinaris C, Benedetti V, Rizzo P, Abbate M, Corna D, Azzollini N, Conti S, Unbekandt M, Davies JA, Morigi M, Benigni A, Remuzzi G: Созревание in vivo функциональных почечных органоидов, образованных из суспензий эмбриональных клеток. J Am Soc Nephrol 2012; 23: 1857-1868.
    29. Xinaris C, Benedetti V, Abbate M, Conti S, Rizzo P, Novelli R, Corna D, Cavallotti D, Morigi M, Benigni A, Remuzzi G: Создание фильтрующей структуры из суспензии эмбриональных клеток почек. J Am Soc Nephrol 2014; 25: 170A.
    30. Бенедетти В., Ксинарис С., Томасони С., Риццо П., Новелли Р., Корна Д., Йоку Т., Мориджи М., Бенигни А., Ремуцци Г. Разработка трансплантируемой трехмерной почечной ткани из суспензии стволовых клеток околоплодных вод и метанефрических клеток мыши.J Am Soc Nephrol 2014; 25: 167A.
    31. Xia Y, Nivet E, Sancho-Martinez I, Gallegos T, Suzuki K, Okamura D, Wu MZ, Dubova I, Esteban CR, Montserrat N, Campistol JM, Izpisua Belmonte JC: Направленная дифференцировка плюрипотентных клеток человека в предшественник почек мочеточника -подобные клетки.Nat Cell Biol 2013; 15: 1507-1515.
    32. Takasato M, Er PX, Becroft M, Vanslambrouck JM, Stanley EG, Elefanty AG, Little MH: Направление дифференцировки эмбриональных стволовых клеток человека в почечную линию приводит к образованию самоорганизующейся почки. Nat Cell Biol 2014; 16: 118-126.
    33. Гилберт СФ: Биология развития, изд 6.Сандерленд, Массачусетс, Sinauer Associates, 2000.
    34. Götz M, Huttner WB: клеточная биология нейрогенеза. Нат Рев Мол Cell Biol 2005; 6: 777-788.
    35. Ishii K: Реконструкция диссоциированных клеток головного мозга цыплят в культуре, опосредованной вращением.Cytologia (Tokyo) 1966; 31: 89-98.
    36. Ватанабе К., Камия Д., Нишияма А., Катаяма Т., Нодзаки С., Кавасаки Н., Ватанабе Ю., Мидзуэки К., Сасай Ю.: Направленная дифференцировка предшественников телэнцефала из эмбриональных стволовых клеток. Нат Neurosci 2005; 8: 288-296.
    37. Eiraku M, Watanabe K, Matsuo-Takasaki M, Kawada M, Yonemura S, Matsumura M, Wataya T., Nishiyama A, Muguruma K, Sasai Y: Самоорганизованное формирование поляризованных корковых тканей из ESC и его активное манипулирование внешними сигналами.Cell Stem Cell 2008; 3: 519-532.
    38. Кадосима Т., Сакагути Х., Накано Т., Соен М., Андо С., Эйраку М., Сасай Ю.: Самоорганизация осевой полярности, структуры вывернутого слоя и видоспецифической динамики предшественников в неокортексе, полученном из ES-клеток человека. Proc Natl Acad Sci U S A 2013; 110: 20284-20289.
    39. Данджо Т., Эйраку М., Мугурума К., Ватанабе К., Кавада М., Янагава Ю., Рубенштейн Дж. Л., Сасай Ю.: Субрегиональная спецификация вентральных телэнцефальных тканей, полученных из эмбриональных стволовых клеток, с помощью синхронизированной и комбинированной обработки внешними сигналами. Журнал Neurosci 2011; 31: 1919-1933.
    40. Суга Х, Кадосима Т, Минагучи М, Огуши М, Соен М, Накано Т, Таката Н, Ватая Т, Мугурума К., Миёси Х, Йонемура С., Оисо Й, Сасай Й: Самообразование функционального аденогипофиза в трехмерной культуре .Природа 2011; 480: 57-62.
    41. Lancaster MA, Renner M, Martin CA, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, Homfray T, Penninger JM, Jackson AP, Knoblich JA: Церебральные органоиды моделируют развитие человеческого мозга и микроцефалию. Природа 2013; 501: 373-379.
    42. Fuhrmann S: Морфогенез глаза и формирование паттерна зрительного пузыря.Curr Top Dev Biol 2010; 93: 61-84.
    43. Бок Д: Пигментный эпителий сетчатки: универсальный партнер в зрении. J Cell Sci Suppl 1993; 17: 189-195.
    44. Brady RC, Hilfer SR: Формирование оптического стакана: процесс, регулируемый кальцием.Proc Natl Acad Sci U S. A 1982; 79: 5587-5591.
    45. Layer PG, Robitzki A, Rothermel A, Willbold E: Из слоев и сфер: реаггрегатный подход в тканевой инженерии. Trends Neurosci 2002; 25: 131-134.
    46. Стефанелли А., Заккей А.М., Чекерини В. Восстановление сетчатки in vitro после дезагрегации эмбриональных куриных глаз.Acta Embryol Morphol Exper 1961; 4: 47-55.
    47. Rothermel A, Willbold E, Degrip WJ, Layer PG: Пигментированный эпителий вызывает полное восстановление сетчатки из диспергированных эмбриональных сетчаток цыплят в реагрегационной культуре. Proc Biol Sci 1997; 264: 1293-1302.
    48. Eiraku M, Takata N, Ishibashi H, Kawada M, Sakakura E, Okuda S, Sekiguchi K, Adachi T., Sasai Y: самоорганизующийся морфогенез глазного бокала в трехмерной культуре.Природа 2011; 472: 51-56.
    49. Накано Т., Андо С., Таката Н., Кавада М., Мугурума К., Секигути К., Сайто К., Йонемура С., Эйраку М., Сасай Ю. Стволовая клетка клетки 2012; 10: 771-785.
    50. Sasai Y: Регенеративная медицина следующего поколения: органогенез из стволовых клеток в 3D-культуре.Cell Stem Cell 2013; 12: 520-530.
    51. Assawachananont J, Mandai M, Okamoto S, Yamada C, Eiraku M, Yonemura S, Sasai Y, Takahashi M: Трансплантация трехмерных листов сетчатки, полученных из эмбриональных и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, мышам с дегенеративной дегенерацией сетчатки. Отчеты о стволовых клетках 2014; 2: 662-674.
    52. Zhu Y, Carido M, Meinhardt A, Kurth T., Karl MO, Ader M, Tanaka EM: Трехмерная нейроэпителиальная культура из человеческих эмбриональных стволовых клеток и ее использование для количественного преобразования в пигментный эпителий сетчатки. PLoS One 2013; 8: e54552.
    53. Гао Д., Вела I, Сбонер А., Яквинта П.Дж., Картхаус В.Р., Гопалан А., Даулинг С., Ванджала Д.Н., Ундвалл Е.А., Арора В.К., Вонгвипат Дж., Коссай М., Рамазаноглу С., Барбоза Л.П., Ди В, Цао З., Чжан К.Ф. , Сирота I, Ран Л., Макдональд Т.Ю., Белтран Х., Москера Дж. М., Туиджер К. А., Скардино П. Т., Лаудон В. П., Кертис К. Р., Раткопф Д. Е., Моррис М. Дж., Данила Д. К., Словин С. Ф., Соломон С. Б., Истхэм Дж. А., Чи П, Карвер Б., Рубин М.А., Шер Х.И., Клеверс Х., Сойерс К.Л., Чен Й .: Культуры органоидов, полученные от пациентов с распространенным раком простаты.Cell 2014; 159: 176-187.
    54. Антоника Ф, Каспршик Д.Ф., Опиц Р., Яковино М., Ляо XH, Думитреску А.М., Рефетов С., Переманс К., Манто М., Киба М., Костаглиола С. Создание функциональной щитовидной железы из эмбриональных стволовых клеток. Природа 2012; 491: 66-71.
    55. Lee JH, Bhang DH, Beede A, Huang TL, Stripp BR, Bloch KD, Wagers AJ, Tseng YH, Ryeom S, Kim CF: дифференцировка стволовых клеток легких у мышей направляется эндотелиальными клетками через ось BMP4-NFATc1-тромбоспондин-1 .Cell 2014; 156: 440-455.
    56. Greggio C, De Franceschi F, Figueiredo-Larsen M, Gobaa S, Ranga A, Semb H, Lutolf M, Grapin-Botton A: Искусственные трехмерные ниши разрушают развитие поджелудочной железы in vitro. Развитие 2013; 140: 4452-4462.
    57. Lee EJ, Kim do E, Azeloglu EU, Costa KD: Спроектированные камеры органоидов сердца: к функциональной биологической модели желудочка.Tissue Eng Часть A 2008; 14: 215-225.
    58. Мондринос М.Дж., Джонс П.Л., Финк С.М., Лелкес П.И.: Разработка de novo сборки легочных органоидов плода. Tissue Eng Часть A 2014; 20: 2892-2907.
    59. Келер К.Р., Микош А.М., Молош А.И., Патель Д., Хашино Э.: Создание сенсорного эпителия внутреннего уха из плюрипотентных стволовых клеток в трехмерной культуре.Природа 2013; 500: 217-221.
    60. Адзума Х., Полк Н., Ранаде А., Доррелл С., Аль-Далими М., Эллис Э., Стром С., Кей М.А., Файнголд М., Громпе М.: Устойчивое распространение гепатоцитов человека в Fah — / — / Rag2 — / — / Il2rg- /- мышей. Nat Biotechnol 2007; 25: 903-910.

    Автор Контакты

    Доктор.Christodoulos Xinaris

    Отделение молекулярной медицины, лаборатория клеточной биологии и регенеративной медицины, IRCCS — Istituto di Ricerche Farmacologiche ‘Mario Negri’, Centro Anna Maria Astori, Научно-технологический парк Kilometro Rosso

    Via Stezzano, 87, IT-24126 Bergamo (Италия), электронная почта [email protected]


    Подробности статьи / публикации

    Предварительный просмотр первой страницы

    Получено: 26 марта 2015 г.
    Принято: 25 мая 2015 г.
    Опубликовано в Интернете: 25 июня 2015 г.
    Дата выпуска: июль 2015 г.

    Количество страниц для печати: 9
    Количество рисунков: 1
    Количество столов: 0

    ISSN: 1660-8151 (печатный)
    eISSN: 2235-3186 (онлайн)

    Для дополнительной информации: https: // www.karger.com/NEF


    Авторские права / Дозировка препарата / Заявление об ограничении ответственности

    Авторские права: Все права защищены. Никакая часть данной публикации не может быть переведена на другие языки, воспроизведена или использована в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись, микрокопирование, или какой-либо системой хранения и поиска информации, без письменного разрешения издателя. .
    Дозировка лекарств: авторы и издатель приложили все усилия, чтобы гарантировать, что выбор и дозировка лекарств, указанные в этом тексте, соответствуют текущим рекомендациям и практике на момент публикации.Тем не менее, ввиду продолжающихся исследований, изменений в правительственных постановлениях и постоянного потока информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на них, читателю рекомендуется проверять листок-вкладыш для каждого препарата на предмет любых изменений показаний и дозировки, а также дополнительных предупреждений. и меры предосторожности. Это особенно важно, когда рекомендованным агентом является новый и / или редко применяемый препарат.
    Отказ от ответственности: утверждения, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и соавторам, а не издателям и редакторам.Появление в публикации рекламы и / или ссылок на продукты не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности. Издатель и редактор (-ы) не несут ответственности за любой ущерб, причиненный людям или имуществу в результате любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в контенте или рекламе.

    IJMS | Бесплатный полнотекстовый | Использование органоидов, полученных из стволовых клеток, в моделировании заболеваний: обновление

    4.1.2. Модели органоидов нормальных и больных тканей человека на основе ASC
    Органоиды на основе ASC человека использовались для моделирования нескольких заболеваний, включая рак, инфекционные заболевания и наследственные генетические нарушения. За последние десятилетия было проведено множество исследований, в которых изучались пути передачи сигналов посредством моделирования биологии болезней человека. Это обеспечило обширное понимание поддержания и восстановления тканей взрослого человека [227]. Из-за нестабильности генома и ограниченного количества тканевых идентичностей в клетках HeLa и других иммортализованных клеточных линиях человека [228] центр недавних исследований переключился на модели in vitro. полученные из стволовых клеток.Это позволило идентифицировать более широкий спектр тканевых идентичностей, повысить целостность генома, долгосрочное расширение и улучшить моделирование здоровой биологии. Традиционно исследования с использованием патологических тканей человека имели ограничения, связанные с доступностью нативной патологической ткани, ограниченным доступом к тканям и этическими соображениями. Тот факт, что органоиды могут быть получены из небольшого количества ткани и могут быть быстро и без усилий культивированы, делает их подходящими моделями для изучения множества заболеваний [229].В 2009 году в области стволовых клеток был отмечен значительный прогресс в методике благодаря успешной разработке системы культивирования органоидов кишечника, известной как метод R-спондина [230]. Микроокружение опухоли содержит опухолевые клетки и стромальные клетки, поддерживающие развитие рака. Эти производные от ASC органоиды встроены в простой матрикс, называемый матригелем, с добавлением различных факторов роста, определяющих ключевые эндогенные сигналы ниши: WNT, лиганд Frizzled / LRP (белок, связанный с рецептором липопротеинов); Noggin (ингибитор костного морфогенетического белка) для размножения стволовых клеток; R-спондин (агонист WNT) для поддержания популяций стволовых клеток; и EGF для стимуляции пролиферации клеток.Эта система была использована для создания трехмерных структур с отчетливыми доменами, подобными крипте и ворсинкам [3]. Примечательно, что эти органоиды надежно воспроизводили архитектуру ткани in vivo. Впоследствии система была адаптирована не только для получения органоидов кишечника человека, но также органоидов, полученных из других органов, в частности из толстой кишки и желудка, имеющих стволовые клетки Lgr5 + [230, 231, 232, 233]. За этим первым сообщением о создании трехмерной органоидной культуры, полученной из одного ASC, последовали многие последующие работы по органоидам в мезендодерме (например,например, желудок, печень, поджелудочная железа, легкие и почки) и нейроэктодерма (мозг и сетчатка) [230, 231, 232, 233, 234]. Хотя самые ранние 3D-модели эпителиальных органоидов были впервые описаны более 40 лет назад, их ограниченная жизнеспособность in vitro не позволяла используется в трансляционной медицине. Эти недостатки в настоящее время в значительной степени исключены вместе с достижениями и обширными исследованиями по выделению мультипотентных стволовых клеток и клеток-предшественников. В 2009 году Sato et al. [230] смогли произвести неограниченное распространение самообновляющихся органоидов кишечника.Предлагаемый метод проводился кишечными криптами и FAC отсортировал Lgr5 + клетки кишечного эпителия, встроенные в трехмерную матрицу под названием Matrigel [230]. После оптимизации этого метода мы теперь можем производить органоиды из ткани толстой кишки и колоректальной аденомы человека, отмечая, что группа Клеверс — это те, кто разработал модели эпителиальных органоидов из колоректального рака человека [230, 235, 236]. Характеристики этих трехмерных эпителиальных органоидов — мультипотентная клеточная дифференцировка, биологически значимая клеточная передача сигналов и сложная межклеточная коммуникационная и организационная сеть.В культуральной среде, дополненной EGF, noggin и агонистом Wnt R-спондином (RSPO), удалось установить кишечные органоиды. Протокол был разработан путем встраивания стволовых клеток кишечника в 3D матригель. Соблюдаемый протокол теперь требуется во время развития тканей in vitro, а также при гомеостазе и восстановлении у взрослых. Путем объединения знаний о популяциях стволовых клеток и использования информации о потребностях ниш кишечных стволовых клеток были созданы кишечные органоиды из постнатального или взрослого кишечного эпителия [237] или из одной взрослой кишечной стволовой клетки [230].Точно так же стволовые клетки толстой кишки, полученные от мыши и человека, также превратились в органоид с небольшими изменениями в составе среды и условиях культивирования [231]. Sato et al. [231] преуспели в долгосрочном расширении взрослого кишечного эпителия в культуре, сохраняя при этом его характерную структуру почкования и демонстрируя все признаки и архитектуру всех индивидуальных производных [231, 237]. Органоиды желудка устанавливаются либо путем экспансии взрослых стволовых клеток желудка. как от тела, так и от антропилорического эпителия, или от дифференцировки PSCs.После идентификации маркера пилорических стволовых клеток Lgr5 [232] началась разработка первой системы длительного культивирования стволовых клеток желудка мышей. Распространение органоидов желудка человека из стволовых клеток тела и привратника стало возможным благодаря блокаде передачи сигналов трансформирующего фактора роста-бета (TGFβ) [140]. Эти органоиды желудка выращивали в матригеле, необходимом для развития органоидов, и в среде культуры, содержащей WNT3A и FGF10 [232, 233]. Noggin, антагонист BMP, является критическим фактором, предотвращающим кишечник и способствующим судьбе передней кишки.Дифференцировка показала, что продуцирующим кислоту париетальным клеткам труднее развиваться [238]. Spurrier et al. были первыми, кто успешно создал тканевую инженерию пищевода человека, содержащую как эпителиальный, так и мезенхимальный компоненты. Органоидные единицы пищевода (EOU) экстрагировали из пищевода человека или мыши и переносили на покрытый полигликолевой кислотой / поли-1-молочной кислотой каркас, покрытый коллагеном, взрослым иммунодефицитным или аллогенным мышам. Полученные в результате инженерные эзофаги состояли как из эпителия, так и из нижнего мышечного слоя.Даже когда мышиные EOU культивировали in vitro, они увеличивались в виде сферы пролиферативных базальных клеток вблизи нервно-мышечной системы, которая проявляла спонтанное перистальтическое движение [239]. Эти результаты показывают, что идея успешного выращивания пищевода человека на биоразлагаемом каркасе может быть в дальнейшем использована в терапевтических целях. Органоиды человеческого мозга были успешно созданы и теперь используются для моделирования развития человеческого мозга и болезней. Микроцефалия была первым заболеванием, изученным на этих моделях [39].Кроме того, эти модели использовались для определения взаимосвязи между ZIKV и микроцефалией и влияния этого вируса на развитие мозга [213, 240]. Системы моделей органоидов головного мозга также позволили сравнить вирулентность африканских и бразильских штаммов [240] и были использованы для идентификации вирусного белка, который ингибирует пролиферацию нервных стволовых клеток [241]. Важно отметить, что соединения, которые ингибируют инфекцию ZIKV и уменьшают гипоморфный эффект вируса, также были идентифицированы с использованием моделей органоидов головного мозга человека [242].Костные сфероиды, известные как «остеосферы», представляют собой новые модели in vitro для изучения молекулярных механизмов ремоделирования кости. О многообещающем подходе к формированию остеосфер из клеток-предшественников кости взрослого человека сообщили Kale et al. [243] Для образования остеобластов требуется трехмерная агрегация клеток, удаление сыворотки с присутствием TGFβ1. В этом современном подходе отсутствуют различные типы клеток и архитектура тканей. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы увидеть, могут ли улучшения в методах 3D-культивирования превратить эти сфероиды в настоящие костные органоиды.Как упоминалось ранее, наша группа выделила PDO из ткани простаты [8]. Фетальные клетки надпочечников человека также использовались для создания органоидов надпочечников, которые имели общие морфофункциональные характеристики с нативной железой плода [244]. В литературе также сообщалось о генерации органоидов трофобласта человека. Такие органоиды могут служить моделями для исследования развития плаценты и изучения тонкого взаимодействия плода и матери [245]. Интересно отметить, что можно включать мезодермальные клетки-предшественники в другие органоиды, таким образом образуя сложные органоиды.Это может дополнительно усилить достоверное представление нативных органов, поскольку такие органоиды будут иметь сосудистые сети [246]. Хотя репликация отличительного внеклеточного матрикса, который требуется эпителиальным клеткам тимуса, является основным препятствием для культивирования органоидов тимуса, Tajima et al. сообщили о генерации органоидов тимуса из децеллюляризованных каркасов тимуса, которые были повторно заселены выбранными эпителиальными клетками тимуса. Эти каркасы поддерживают трехмерное микроокружение, которое может поддерживать рост эпителиальных клеток.Органоиды были успешно заселены клетками-предшественниками лимфоцитов при трансплантации бестимусным голым мышам [247]. Поскольку трансплантация тимуса пациентам с атимией (например, педиатрическим пациентам с полной аномалией ДиДжорджи) ограничена посттрансплантационной иммунной дисрегуляцией и неправильным «образованием» Т-клеток, Valente et al. постулировали, что органоиды могут помочь в преодолении этих препятствий. После трансплантации бестимусных мышей с каркасной структурой из микропористых отожженных частиц, засеянных стромальными клетками тимуса, было показано, что репопуляция Т-клеток достигается уже через 2 недели [248].Основываясь на этих выводах, можно предположить, что модуляция адаптивного иммунитета Т-клеток в области регенеративной медицины не является надуманной концепцией. Органоиды легких описывают органоиды как верхних, так и нижних дыхательных путей. Получение органоидов из ткани легких взрослых было трудным процессом. Hogan и его коллеги [249] смогли первыми провести исследования органоидов верхних дыхательных путей, с помощью которых отдельные базальные клетки стали бы культурами органоидов бронхиолярного легкого. Протокол, которому они следовали, доказал ограниченный потенциал роста, но был способен дифференцироваться как в базальные, так и в просветные клетки [249].Создание органоидов легких в дистальных (нижних) дыхательных путях также затруднено. Альвеолы ​​состоят из секретирующих сурфактант клеток типа II (AT2) и газообменных клеток типа I (AT1). Точно так же Баркаускас и др. смогли создать самообновляющиеся альвеолы ​​человека путем совместного культивирования человеческих клеток AT2 с фибробластами легких [250]. Стволовые клетки зубов человека (hDPSC) обладают свойствами, подобными мезенхимальным (стромальным) стволовым клеткам, и экспрессируют множество обычных маркеров MSC. Их профиль экспрессии генов аналогичен профилю экспрессии МСК костного мозга.hDPSC используются в тканевой инженерии зубов и могут быть преобразованы в iPSC [251]. Gronthos et al. [252] впервые сообщили о выделении стволовых клеток пульпы зуба (DPSC) из третьих моляров, пораженных человеком. Jeong et al. [253] были первыми, кто изготовил новый дентин-пульпоподобный органоид из hDPSC, которые являются мезенхимальными стволовыми клетками, в различных условиях культивирования. Вкратце, hDPSC смешивали с матригелем и переносили в поддерживающую среду и среду для одонтогенной дифференцировки, содержащую добавки и основные факторы роста.Экспрессия генов и гистологический анализ продемонстрировали, что установленные органоиды обладают характеристиками как стволовых клеток, так и дифференцированных одонтобластоподобных клеток. Это также сопровождалось минерализацией и дифференцировкой одонтобластов в дополнение к правильному ответу на биологический стимулятор. Описанная процедура изготовления органоида, подобного дентину и пульпе, является многообещающим инструментом для будущей терапевтической стратегии регенерации зубов [253]. Система 3D-биотехнологии, магнитная 3D-биопечать также использовалась для создания органоидов из hDPSC.Протокол включает маркировку клеток магнитными наночастицами перед их культивированием в матригеле. hDPSC были обогащены специфическими предшественниками эпителия слюнных желез и использовались для генерации SG-подобных органоидов [254].

    Органоидов: новое окно в болезни, разработки и открытия

    Ученые нашли способы культивирования органоспецифичных тканей из стволовых клеток, которые могут изменить методы изучения и лечения заболеваний.

    Хавьер Барбузано

    Представьте себе возможность создания индивидуальных, сложных коллекций клеток, которые имеют сходство с собственными тканями пациента.Эта технология — способность выращивать органоиды — становится реальностью и каждый день находит новое применение, отчасти благодаря работе ученых из Гарвардского института стволовых клеток.

    Органоиды — это крошечные самоорганизующиеся трехмерные тканевые культуры, полученные из стволовых клеток. Такие культуры могут быть созданы для воспроизведения большей части сложности органа или для выражения отдельных его аспектов, таких как производство только определенных типов клеток.

    Органоиды растут из стволовых клеток — клеток, которые могут бесконечно делиться и производить различные типы клеток как часть своего потомства.Ученые узнали, как создать правильную среду для стволовых клеток, чтобы они могли следовать своим собственным генетическим инструкциям для самоорганизации, образуя крошечные структуры, напоминающие миниатюрные органы, состоящие из многих типов клеток. Органоиды могут иметь размер от менее ширины волоса до пяти миллиметров.

    Потенциально существует столько же типов органоидов, сколько различных тканей и органов в теле. На сегодняшний день исследователям удалось получить органоиды, которые напоминают мозг, почки, легкие, кишечник, желудок и печень, и многие другие вещества находятся в процессе разработки.

    Такой способ культивирования тканей даст ученым подробное представление о том, как формируются и растут органы, предоставит им новое понимание человеческого развития и болезней, а также даст им возможность увидеть, как лекарства взаимодействуют с этими «мини-органами», потенциально революционизируя область открытия лекарств и открытия новых подходов к персонализированной медицине.

    Некоторые из этих применений описаны ниже в работе четырех лабораторий HSCI.

    Понимание самих себя и моделирование болезни

    Большая часть того, что мы знаем об эмбриональном развитии, мы узнали путем экстраполяции на биологию человека того, что наблюдается на мышах и других моделях животных.Теперь, благодаря органоидам, у исследователей есть возможность культивировать крошечные версии каждой ткани с использованием человеческих клеток.

    В случае человеческого мозга эта технология открывает окно для наблюдения за некоторыми из самых неуловимых аспектов нашей собственной биологии. Это становится особенно важным при изучении сложных, присущих человеку характеристик или болезней. «Некоторые из наиболее известных нервно-психических заболеваний или заболеваний нервной системы нашего времени, такие как шизофрения или расстройство аутистического спектра, являются исключительно человеческими заболеваниями, которые влияют на весь геном человека», — объясняет исследователь HSCI Паола Арлотта, доктор философии.

    Лаборатория Арлотты разработала протоколы, которые позволяют органоидам расти в течение длительных периодов времени, достигая большей сложности и зрелости, чем раньше. Эти органоиды содержат тысячи клеток и несколько типов клеток мозга, которые взаимодействуют друг с другом сложным образом, что делает их отличными моделями для изучения того, как нейропсихиатрические патологии или патологии нервного развития влияют на то, как клетки мозга разговаривают друг с другом.

    Исследователи уже смогли использовать органоиды, полученные от пациентов с аутизмом, чтобы показать нарушения в регуляции генов, участвующих в пролиферации клеток.Другие исследователи использовали органоиды, чтобы наблюдать, как вирус Зика связан с микроцефалией на раннем этапе развития эмбриона, когда он препятствует нормальному развитию мозга, вызывая преждевременную дифференцировку клеток, продуцирующих нейроны. А другие смотрят на то, как эти органоиды, как «нормальные», так и «больные», реагируют на определенные раздражители.

    Органоиды головного мозга также позволят понять, как мозг формируется на раннем этапе развития, что изучается более века и до сих пор вызывает недоумение у ученых.«Настоящая цель прямо сейчас — использовать органоиды в качестве моделей болезней, но по ходу дела я предсказываю, что мы узнаем много нового о том, как формируется мозг», — сказал Арлотта.

    Изучение болезней стволовых клеток и персонализированной медицины

    Стволовые клетки имеют большие перспективы в качестве терапевтических инструментов из-за их неограниченной способности делить и восстанавливать ткани. Но исследователи также понимают, что многие заболевания могут быть вызваны аномалиями самих стволовых клеток или того, как другие клетки общаются с ними.

    Такие исследователи, как доктор философии Карла Ким, используют органоиды, чтобы определить роль стволовых клеток в регенерации, поддержании и функционировании тканей, а также понять, как эти клетки взаимодействуют друг с другом.

    Ким и ее группа были первыми учеными, которые вырастили органоиды легких, имитирующие две отдельные части легкого: дыхательные пути и альвеолярные мешочки, где происходит газообмен. Они сделали это с помощью специальной установки для культивирования, которая позволяла клеткам контактировать как с воздухом, так и с жидкостью, имитируя среду легких.Их культура также включала клетки-помощники, полученные из кровеносных сосудов, для стимуляции роста стволовых клеток.

    «Мы хотим знать, как стволовая клетка узнает, какой тип специализированных клеток она должна производить», — сказал Ким. Органоиды помогают ответить на этот вопрос. «Мы спрашиваем, какие факторы и соединения должны присутствовать, чтобы сообщить стволовым клеткам, что им нужно для роста».

    Ким использует аналогичный подход, чтобы изучить обратный вопрос: что происходит при заболеваниях, когда стволовые клетки либо не справляются со своей работой, либо создают дефектные клетки?

    «Многие заболевания легких кажутся нам неспособностью стволовых клеток восстанавливать повреждения, — сказал Ким.«Долгое время считалось, что такие заболевания, как эмфизема, могут быть вызваны дефектами стволовых клеток, но проверить эту идею было невозможно. Теперь мы можем создавать органоиды из больных клеток и проводить эксперименты, чтобы выяснить, являются ли стволовые клетки или вспомогательные клетки, которые с ними общаются, причиной заболевания легких. Если мы сможем понять, что идет не так на уровне стволовых клеток, может появиться совершенно новый тип клеток, который может стать мишенью для лекарств ».

    Органоиды также можно использовать для непосредственного скрининга лекарств, которые могут способствовать образованию особого типа клеток.Это может помочь найти лечение таких заболеваний, как кистозный фиброз, при котором реснитчатые клетки, которые обычно удаляют слизь из легких, не работают должным образом.

    «Мы можем создавать органоиды из реснитчатых клеток, полученных от пациентов, а затем тестировать их на лекарства, которые могут улучшить работу этих реснитчатых клеток», — сказал Ким. «Мы можем сделать органоиды из ИПСК, полученных из крови пациента, и испытать эти специфичные для пациента клетки легких, даже не взяв биопсию. Возможности органоидов безграничны.Это очень интересное время для изучения легких ».

    Органоиды как терапевтические инструменты

    Несколько команд в Гарварде и других странах пытаются придумать способы трансформации и трансплантации клеток или даже тканей, которые могли бы служить лекарством или лечением определенных заболеваний.

    Так обстоит дело с ученым HSCI Дэвидом Бро, доктором медицинских наук, который вместе с другим исследователем HSCI, доктором философии Цяо Чжоу, добился революционных успехов в превращении кишечных клеток в бета-клетки, продуцирующие инсулин.Их подход может привести к лечению диабета, большой проблемы общественного здравоохранения.

    Диабет — это нарушение обмена веществ, связанное с инсулином, гормоном, вырабатываемым поджелудочной железой, который позволяет нашим клеткам поглощать глюкозу из кровотока. Существует два типа диабета: тип 1, при котором иммунная система атакует бета-клетки, производящие инсулин; и тип 2, при котором клетки становятся устойчивыми к инсулину, поэтому снабжение организма недостаточным для контроля уровня глюкозы в крови.

    Бро и Чжоу разработали метод трансформации эпителиальных клеток кишечника в бета-клетки, продуцирующие инсулин, и протестировали этот метод на органоидах кишечника.Эта трансформация возможна, потому что эти клетки происходят из одного и того же региона во время развития и имеют много общих характеристик.

    Они также смогли показать, что могут имплантировать матрицу, наполненную этими модифицированными инсулин-продуцирующими клетками, диабетической мыши, которая затем успешно регулирует уровень сахара в крови.

    Бреолт идет еще дальше и намекает на возможность получения органоидов из полученных от пациентов iPS-клеток, которые могут быть преобразованы в продуцирующие инсулин бета-подобные клетки.

    «Способность создавать специфичные для пациента клетки-предшественники, которые можно было бы преобразовать, возможно, в один или два этапа в бета-клетки, может представлять собой значительный прогресс в лечении диабета», — сказал Бро.

    Революция в открытии лекарств

    Не на все вопросы исследования нужно ответить, используя сложные тканеподобные культуры, состоящие из разнообразных клеток.

    Некоторым ученым нужны только определенные типы клеток, которые похожи друг на друга.Одним из примеров является процесс открытия лекарств, когда необходимо протестировать множество веществ на клетках, чтобы увидеть, как они работают.

    На сегодняшний день для проведения таких тестов фармацевтическая промышленность полагалась на модели животных и линии клеток человека, которые мало похожи на нормальную или больную ткань. По словам члена Исполнительного комитета ИСКЧ Ли Рубина, доктора философии, это может быть одной из причин большого количества неудач в клинических испытаниях, а также высокой стоимости открытия лекарств — в среднем 2 миллиарда долларов на каждое новое лекарство, поступающее в аптеку.

    Рубин считает, что использование человеческих клеток, а не животных моделей может ускорить и повысить эффективность процесса открытия и разработки лекарств.

    Лаборатория Рубина работает над сфероидами мозга, плотно заселенными клубками нейронов, которые последовательно производят один или несколько типов клеток в больших количествах. Этот метод производит больше клеток и с лучшим качеством, чем традиционные плоские культуры на чашке. Это похоже на массовое производство и экономичный подход к культивированию клеток.

    Помимо развития из эмбриональных клеток, сфероиды также могут быть получены из собственных клеток пациента и депонированы в биобанк специфичных для пациента клеток. Комбинируя такие биобанки с клиническими и геномными данными, можно было бы разработать и протестировать индивидуальные планы лечения для каждого пациента. Этот подход также может позволить идентифицировать группы пациентов, которые могут лучше реагировать на одни виды лечения, чем на другие.

    Возможность получения неограниченного количества тканей от каждого пациента также будет чрезвычайно полезна для изучения и лечения редких заболеваний, когда количество пациентов, на которых можно проводить исследования и тестировать лечение, ограничено.Это позволит исследователям проводить свои исследования в более широком масштабе, ускоряя прогресс в этих часто недостаточно изученных заболеваниях.

    .

    Author: alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *