Vznik blastuly z moruly. Kredit: Volné dílo)

Organoidy už známe zhruba deset let. Jde o uměle vypěstované shluky buněk podobající se miniaturním orgánům. Nikoli ale tvarem, nýbrž funkčností. Buňky v těchto konglomerátech mají znaky a také plní úkoly, jaké by zastávaly, kdyby byly plnohodnotnými buňkami klasického orgánu.

Peng-Fei Xu. První autor studie. Institute of Genetics, School of Medicine, Zhejiang University, Hangzhou, China. Kredit: Zhejiang University.

V medicínských kruzích je o ně velký zájem. I když o rutinním pěstování náhradních orgánů, nebo jejich dílů, ještě hovořit nelze, v řadě případů již začínají být prostředkem, kterým se rozbité tkáně tělesných schránek opravují. Titěrné, jen několikamilimetrové shluky buněk, začínají být velkým byznysem. Nemusí sloužit jen k opravě tkání, dá se na nich například rychle testovat, co s našimi skutečnými orgány provedou kandidátní látky na léky. Dovolují s malými náklady studovat procesy probíhající ve skutečných orgánech, chování buněk při různých nemocech,…

Rané embryo je dutá koule tvořená méně než stovkou buněk. Gastrula vzniká, když se blastula, složená z jedné vrstvy zvětší a vchlípí se dovnitř. Na obrázku jsou barevně odlišeny: ektoderm (modrý); endoderm (zelená); blastocoel (žloutkový váček - žlutý); a archenteron (střevo – fialová). Kredit: Volné dílo.

I když pojem organoid během deseti let takřka zdomácněl, objevily se další. Před dvěma lety se v literatuře poprvé psalo o blastoidech. Podobně, jako organoidy, i ony mají původ v kmenových buňkách. Podobnost se slovem blastula dává tušit, že se posouváme do oblasti raných fází vzniku života a do záležitostí vědního oboru embryologie.

Všichni jsme si tím prošli

V době raného embrya jsme byli dutou koulí tvořenou necelou stovkou buněk. Z těch na povrchu (trofoblast) pak vznikala placenta. Pouze titěrný shluk uvnitř koule dal vznik budoucímu embryu. Vědci již dovedou pěstovat kmenové buněčné linie představující tyto vnitřní a vnější části embrya samostatně.

Bernard Thisse a Christine Thisse, spoluautoři studie. Kredit: Oddělení buněčné biologie University of Virginia.

Nejen, že je umí pomnožit, ale když se rozhodnou, tak i geneticky upravit. Z těchto dvou typů buněk dokonce umí (s pomocí koktejlu proteinů) sestavit právě onen zmíněný blastoid – konglomerát buněk morfologicky a transkripčně podobný blastocystě.

Blastoidy

Stejně jako přirozené blastocysty, také umělé blastoidy, se tvoří na základě signálů pocházejících z embryonálních buněk. Embryonální buňky jednak udržují vnitřní masu proliferujících buněk, současně ale také jemně dolaďují genetiku okrajových buněk (transkripci), aby se z nich stávaly buňky specializované na zajišťování výživy. Abychom pochopili, kam až se podařilo blastoidy vypiplat, vrátíme se na chvilku k přirozeným blastocystám. S tím, jak rostou, dostává změn i jejich vnější vrstva buněk trofoblast. Jeho buňky se zpočátku k mateřské děloze chovají vysoce agresivně. Narušují její tkáň až do té míry, že se nechají omývat krví, z níž si berou živiny. Později se agrese mění na spolupráci trofoblastu s mateřským endometriem a vytvářející se klky jsou zárodkem budoucí placenty.

Organoidy s imunohistochemickým barvením k vizualizaci počtu dělících se buněk. Obrázek je z dílny kolektivu Ming Guo. (Kredit MIT).

Podle toho, v jakém vývojovém stádiu se blastocysta nachází, zda již je schopná zahnízdění (má trophectoderm), nebo již pokročila a má základy protoplacenty,… si je vědci škatulkují. Zmiňujeme to zde proto, že umělé blastoidy nesou všechny znaky přirozených blastocyst ve fázi E3,5. Přeloženo do lidštiny: jsou na začátku schopností implantovat. A nebo ještě jinak řečeno: mají všechny tkáně nezbytné k interakci s matkou (polární a nástěnná trophectoderm). K čemu jsou takové hrátky s pronikáním do tajů našeho života dobré? Tak například blastoidy jsou jedinečným nástrojem při hledání problému neplodnosti pacientky. Pokud v její děloze implantované blastoidy nezahnízdí, je třeba řešit problém spočívající v poruše mechanismů zprostředkujících připojení a invazi do stěny dělohy.

Prvních 23 dní lidského zárodečného vývoje. Kredit: Zephyris, Wikipedia, CC BY-SA 3.0.

Nedávno se podařilo postrčit agregáty kmenových buněk tak, aby se začaly podobat dalšímu vývojovému stádiu – gastrule. Tím správným spouštěcím pulzem se ukázalo být vystavení agregátů pulzu signálního agonisty WNT / β-katenin CHIR99021 (Wnt je zkratka používaná genetiky pro signál genové transkripce regulovaný genem SPATS1). Teprve až po tomto „šťouchnutí“ se agregáty začnou vymaňovat z kulovitého tvaru typického pro vajíčko. Spontánně začnou tvořit pól, protáhnou se do délky a začnou vytvářet pro obratlovce typickou embryonální symetrii. Takovým uměle připraveným útvarům se říká gastruloidy. I když jejich zrod byl považován za zlomový posun v poznání, ukázalo se, že gastruloidy mají jeden hendikep - postrádají správnou organizaci nervové trubice, pročež se nemohou posunout při kultivaci ve svém vývoji dál.

Spustit animaci

Organoid - „srdce“ vyrobené kultivací z myších kmenových buněk. Dobře patrné jsou na něm počínající rytmické stahy. Kredit: University of Virginia.

Embryoid

Jak jsme si již v úvodu řekli, tak slovník biologů u novotvarů organoid, blastoid a gastroid, se nyní rozrůstá o novinku nazvanou „embryoid“. I když toho s blastoidem má hodně společného, něčím se přece jen liší. A právě na té odlišnosti je vidět, jak lidské poznání zase poskočilo. Embryoidy tvoří tři zárodečné vrstvy gastrulačním procesem a vykazují širokou škálu vývojových struktur velmi podobných těm v embryích ve stadiu neurula. Například již mají dorzální nervovou ploténkou vykazující histologické vlastnosti podobné neuroepitelu. Vykazuje charakteristiky embrya, které se skládá do neurální trubice s předozadní orientací – již ví, kde bude mozek a kde zadek. CO se mezodermu týče, tak ten již vytváří základ srdeční tkáně a také vaskulární síť. Na embryoidech lze rozlišit dokonce i primitivní střevní trubici.

Embryoidy tvořené zhruba tisíci kmenovými buňkami. Kredit: Stemcellscientist, Wikipedia, CC BY-SA 3.0

Závěr

Embryoidy poskytují in vitro model embrya savců, aniž by výzkum narážel na etické bariéry spojené se získáváním embryí. Spolu s pokrokem metod, jako je například RNA sekvencování na úrovni jediné buňky, má všechny předpoklady stát se mocným nástrojem pro in vitro studie a modelování nemocí. Nejde o produkci zárodků schopných dát vznik novému organismu, ale o odhalování cest, jak přimět buňky k provádění komplexních vývojových programů ve správném sledu s cílem dávat vznik orgánům se správnou vaskularizací, inervací a interakcemi s jinými tkáněmi. Je to alternativní směr řešení problému nedostatku orgánů k transplantacím.

Literatura

Xu, PF., Borges, R.M., Fillatre, J. et al. Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre. Nat Commun 12, 3277 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23653-4

The Daily Report is UVA Today's newsletter, University of Virginia. https://news.virginia.edu/content/dish-mouse-crafted-stem-cells-begins-form

Beccari, L. et al. Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids. Nature 562, 272–276 (2018).