Organoidok: a jó, a rossz és a gyönyörű

Rángassuk elő a szerveződési szinteket. Onnan, hogy sejt, szövet, szerv, szervrendszer. Ugye hasonló szerkezetű és működésű sejtek meghatározott funkciójú szövetet alkotnak (izomszövet, hámszövet, kötőszövet), több szövet szervet alkot, mivel egy szerv működéséhez eltérő tulajdonságú szövetekre van szükség (pl. a szív izomszövetből, hámszövetből, idegszövetből áll). A szervek szervrendszerekké állnak össze (pl. vérkeringés a szívből, az artériákból, a vénákból és a vérképző szervekből áll). Mindezek alapján az organoid különböző, megfelelő módon egymáshoz kapcsolódó sejttípusokból, szövetekből épül fel.

Különböző sejttípusokat már lassan egy évszázada tenyésztenek egyedül vagy más sejttípusokkal együtt, hogy működésüket és gyógyszerek hatását vizsgálják. Összeszámolhatatlanul sok eredmény született használatukkal. De a magukban tenyésztett sejtek nem teljesen úgy viselkednek és fejlődnek, mintha egy szövet részei lennének, mert hiányoznak a környezetükből a más sejttípusoktól eredő mechanikai és kémiai jelek, melyek helyes fejlődésüket irányítanák. Hogy számos összetett biológiai problémát megtámadhassunk szükség volt egy, az élő rendszerekhez jobban hasonlító kísérleti modellrendszerre. Mik ezek a kérdések:
A biológia egyik legizgalmasabb területe a fejlődésbiológia, vagyis annak megértése, hogyan alakul egy élőlény a zigótától, az embrión át a felnőtt állapotig. Egyes szervezeteknél – például a zebradániónál (a fejlődésbiológusok egyik modellállatánál) – ez könnyen megfigyelhető mikroszkóp alatt, hiszen a milliméteres átlátszó halembrió erre remek objektum. Másoknál, mint az ember, a fejlődés rejtve zajlik. Bár emberi sejtekkel dolgozni nem új keletű dolog (gondoljunk a HeLa-sejtekre ), az organoidok valódi újdonsága abban rejlik, hogy emberi szövetek háromdimenziós, hosszú távon fenntartható modelljeit adják. A 3D növekedés lehetővé teszi, hogy a sejtek hasonló módon szerveződjenek, mint a testben. Ez különösen fontos, mert – bármennyire hasznosak is – az egerek nem emberek, és sok betegség nem modellezhető jól állatokban.
És itt jön a második terület, ahol az organoidok hasznosak: a betegségek és a gyógyszerek. Számos gyógyszer a szabadon álló sejteken hat, de pl. egy összetett szövetben, az érfalak és más szövetek miatt, nem képes eljutni a célterületre, vagy míg bizonyos sejtekre hatásosan hat, más sejttípusokat károsít. Az organoidok tehát alkalmasak lehetne gyógyszerek hatékonysgának és veszélyeinek tesztelésére és ezáltal állatkísérleteket válthatnak ki.

Organoidokat az egyénre szabott orvoslásban is ígéretesen lehet használni. Mutációk okozta betegségek kezelési stratégiáit lehet kidolgozni a betegből származó szövetmintából előállított organoidokon, melyek hordozzák a kezelendő személy egyéni variációit. Különösen hasznosak lehetnek daganatterápiában. A daganatos sejtek ugyanis egyedi mutációk következtében kezdenek el fékevesztetten osztódni. A megfelelő kemoterápia megtalálásához tudni kell a kialakult rák mögött milyen mutációk állnak, megválasztani a kezelésre használt megfelelő citosztatikumot vagy citosztatikum keveréket. Hatékonyabb, biztonságosabb és főleg olcsóbb, ha előbb a daganatos sejtekből növesztett organoidokon tesztelik a különböző keverékeket és csak miután hatékonynak bizonyultak vetik azt be a betegen. A citosztatikumok jelentős része hihetetlenül ritka molekula, előállítások nagyon drága. Ha organoidon tesztelünk, akkor több nagyságrenddel kevesebb anyagot kell használni, mint ha egy emberen próbálkoznánk. Nem beszélve egy rosszul választott citosztatikum veszélyeiről.

Van egy intim összefüggés az embrionális fejlődés, a regeneráció, a rák és az organoidok között. Az embrió egy megtermékenyített petesejtből, a zigótából fejlődik. Ő az igazi őssejt, hiszen egy egész egyed őse lesz. Totipotens (mindenre-képes), képes arra, hogy osztódjon és eltérő tulajdonságú szöveteket létrehozó sejtekre differenciálódjon. Ehhez az kell, hogy genetikai szabályozó hálózata alapállapotból induljon és fejlődés közben a keletkező leánysejtekben a genetikai szabályozó hálózat egyedi irányokba szűkítse be a sejtek működését. Specializálódnak, tudnak ravasz dolgokat, de közben elvesztik totipotenciájukat és osztódó képességüket. A szervezetben több helyen találhatók őssejtek, illetve sérülés esetén bizonyos sejtek képesek genetikai szabályozó rendszereiket kicsit visszahangolni az őssejt állapot felé, hogy újra tudjanak osztódni, majd regenerálódni. De ez egy kétélű fegyver. A regeneráció ára az időnként előforduló rákos sejtek megjelenése. Daganatok gyakran sérülések, tartós gyulladások helyén alakulnak ki. Ugyanis, ha a regeneráció jegyében megjelenő őssejtek hordoznak bizonyos mutációkat, amelyek a sejtosztódás szabályozását érintik, a meginduló osztódást nem hagyják abba, elárasztják az egész szervezetet, rák alakul ki. Az egyszerűbb gerincesek még viszonylag jól tudnak regenerálni. Egy gyík képes farkát, elvesztett végtagját újra növeszteni, de egy emlős erre már nem képes. Valószínűleg azért, mert egy melegvérű, gyors anyagcseréjű állatban veszélyes, ha a sejtek könnyen visszaléphetnek őssejtté, hogy osztódással regenerációt végezzenek, mert ezzel a rákosodás esélye drasztikusan nő. Az evolúció megoldása erre az volt, hogy szigorúbb szabályokat épített be összetett szervezetünk védelmére, cserébe elvesztettük azt a képességet, hogy levágott karunkat újra növesszük. Az organoidok előállításához olyan állapotú sejtekre van szükségünk, melyeket a specializált állapotból egy beavatkozással (genetikai szabályozó hálózatok hangolásával) visszamozdítunk az őssejtek felé. Innen indulva tud a fejlődő organoidban elindulni az osztódás és differenciálódás folyamata, összetett szövetkapcsolatok kialakulása. Nyilván kényes a határ egy organoid és egy rák között, bár néhány kivétellel a rákos daganatokban nem alakulnak ki specializált szövetek. A kivételt a teratómák (tera- szörny, -toma-daganat) képeznek, amikor pluripotens őssejtek indulnak meg hibásan. Gyakran az iversejteket képző herében alakul ki ilyen. A teratóma egy olyan csírasejtes daganat, amelyben különböző szövetek és szervkezdemények torz, rendezetlen formában jelennek meg. Azért különleges (és sokszor megdöbbentő), mert egyetlen daganaton belül több csíralemezből származó szövetek is megtalálhatók egyszerre, fogak, porcok, mirigyek.

Az organoid fogalmát nagyjából tíz éve alkotta meg Hans Clevers Hollandiában. Azóta az organoidkutatás világszerte robbanásszerű fejlődésen ment keresztül, különösen az utrechti Hubrecht Intézetben, amely ma a fejlődésbiológia egyik központja. Az organoidok kis mennyiségű anyagból – például biopsziából (szövetminta) – indíthatók, és gyakorlatilag korlátlanul fenntarthatók. Már sikerült organoidokat létrehozni többek között bélből, gyomorból, emlőből, hasnyálmirigyből, prosztatából, petefészekből, tüdőből, májból – sőt még az agyból is.
Az organoidok előállítása általában őssejtekből indul, amelyek lehetnek felnőtt szövetből származó őssejtek vagy indukált pluripotens őssejtek (iPSC-k). Az iPSC-ket úgy hozzák létre, hogy egy kifejlett testi sejtbe – például bőr- vagy vérsejtbe – átprogramozó géneket, az ún. Yamanaka-faktorokat, juttatnak be. A Yamanaka-faktorok olyan transzkripciós faktorok (fehérjék, melyek a gének átíródását szabályozzák)– Oct4, Sox2, Klf4 és c-Myc –, amelyek képesek egy kifejlett testi sejtet visszaprogramozni pluripotens őssejt-állapotba. Amikor ezeket a géneket mesterségesen bejuttatják egy sejtbe, átalakítják a sejt genetikai szabályozási hálózatát: bekapcsolják az embrionális géneket, miközben elnémítják a differenciált sejttípusra jellemző programokat. A faktorok együttműködve átrendezik a kromatin szerkezetét, megváltoztatják a DNS-metilációt és a hisztonmódosításokat, így a génállomány újra „nyitottá” válik az őssejtekre jellemző szabályozás számára. Ennek eredményeként a sejt elveszíti korábbi identitását, és képessé válik arra, hogy szinte bármilyen sejttípussá differenciálódjon. Ezeket az őssejteket ezután egy háromdimenziós támasztó közegbe (például Matrigelbe) helyezik, amely lehetővé teszi a térbeli növekedést és az önszerveződést. Végül időben adagolt növekedési faktorokkal és jelátviteli molekulákkal irányítják a differenciálódást, így a sejtek maguktól kialakítják az adott szervre jellemző szerkezetet és sejttípusokat, létrehozva az organoidot.

A jó

Az organoidok óriási potenciállal bírnak az emberi egészséggel kapcsolatos kutatásokban. Regeneratív orvoslási szempontból különösen értékesek, mert egy apró mintából nagy mennyiségű, lefagyasztható és újraéleszthető szövet állítható elő. Ennek alapja az, hogy az organoidok felnőtt őssejteket tartalmaznak. Ezek az őssejtek normálisan is jelen vannak a szerveinkben, és sérülés esetén segítenek a regenerációban. Bár az ember regenerációs képessége korlátozott (szemben például a zebradánióval), minden szervben találhatók ilyen sejtek, amelyek megfelelő körülmények között egy miniatűr szervet képesek létrehozni. Ha ez nem működik, a sejtek akár iPSC-kké (indukált pluripotens őssejtekké) is visszaprogramozhatók.
Az organoidok a gyógyszerfejlesztésben is kulcsszerepet kaphatnak. Egy új gyógyszer kifejlesztése rendkívül drága, részben azért, mert az állatmodellek gyakran nem jelzik előre az emberi toxicitást. Bár az organoidok fenntartása munkaigényesebb, hosszú távon pontosabb előrejelzést adhatnak, és akár csökkenthetik az állatkísérletek számát. 

Mivel gyorsan nőnek és kisméretűek, egyetlen lemezen akár több száz gyógyszer hatása is tesztelhető.
Klinikai alkalmazásra eddig leginkább a cisztás fibrózis esetében került sor. Ennél a betegségnél egyetlen gén, a CFTR hibás, így az organoidok jól használhatók annak megjóslására, hogy egy adott gyógyszer hatékony lesz-e egy adott betegnél. Ha a betegből származó organoidok a gyógyszer hatására megduzzadnak, az azt jelzi, hogy a kezelés működni fog. Ez már ma is segít a személyre szabott terápiás döntésekben.
A rák esetében a helyzet bonyolultabb, de ígéretes. Friss eredmények szerint a vastagbélrákból származó organoidok megbízhatóan előrejelzik a kemoterápiás válaszokat, így elkerülhető lehet a felesleges, súlyos mellékhatásokkal járó kezelés azoknál, akiknél nem lenne hatásos.

A rossz

Az organoidoknak természetesen vannak korlátaik. Bár tartalmazzák egy szerv legtöbb sejttípusát és hasonló szerveződésűek, hiányzik belőlük az érhálózat, az immunrendszer és az idegi beidegzés. Emellett növekedésükhöz gyakran a sejtek vándorlását biztosító hálózatra, Matrigelre van szükség, amely egy egérdaganatból származó, biológiai eredetű hordozó alap (mátrix). Ennek összetétele tételenként változhat, ami kísérleti variabilitást okoz. Az organoidok mérete is eltérő lehet, még azonos környezetben is, ami további kihívásokat jelent. Bár fejlesztés alatt állnak szintetikus alternatívák, jelenleg a Matrigel még mindig a legelterjedtebb megoldás.

A gyönyörű

Az organoidok nemcsak hasznosak, hanem lenyűgözően szépek is. Kis méretük miatt teljes egészükben leképezhetők nagy felbontásban, akár szuperrezolúciós mikroszkópiával. Így olyan részletességgel vizsgálhatók sejten belüli struktúrák, ami hagyományos szövettani módszerekkel szinte elképzelhetetlen. A biológia ritkán mutatja meg magát ennyire látványosan: mini belek és mini vastagbelek, tökéletesen szervezett sejtrétegekkel.

Ma már világos, hogy a szervek nem csak az embrióban nőhetnek. A laborban is létrehozhatók, és az organoidok révén megismerhetjük bennük a jó, a rossz és a gyönyörű oldalát is.

Szerző: Gulyás Attila