Stellen Sie sich versucht zu malen, ein Wald, wenn alle der Künstler hat ein Blatt und ein Stück Rinde im Vergleich mit einem lebendigen, wachsenden Baum als Modell. Zu sehen, wie die Teile zusammenpassen, kann den Unterschied machen.
Das ist die Ebene der Weiterentwicklung im organoid Wissenschaft, dass die Forscher am Cincinnati Children ‚ s erreicht haben, die Erkenntnisse, die heute veröffentlicht in der renommierten Zeitschrift Nature. Statt zu wachsen mini-menschliche Organe unabhängig voneinander in separaten Labor-Gerichte, ein team um Takanori Takebe, MD, gelang es wachsen bei einer angeschlossenen set aus drei Organe: die Leber, die Bauchspeicheldrüse und der Galle-Kanäle.
Organoids, gewachsen aus Stammzellen, das sind winzige 3-D-Formationen des menschlichen Gewebes, die tatsächlich die Funktionen von mehreren Zellen gefunden in full-size Organen. Organoid-Experten in Cincinnati Kinder schon erwachsen, Darm, Funktion Nährstoff-absorbierende Zotten, Magen-organoids, das Verdauungs-produzieren Säuren, und mehr.
Von selbst -, human-organoids bereits ein anspruchsvolles Werkzeug für die Forschung. Aber dieser Fortschritt ermöglicht es Wissenschaftlern, zu studieren, wie menschliche Gewebe im Konzert. Dieser große Schritt nach vorne anfangen könnte, reduzieren die Notwendigkeit für Tier-basierte Medikamente Studien, scharf beschleunigen das Konzept von Präzisions-Medizin, und eines Tages führen, um transplantable Gewebe gewachsen labs.
„Die Konnektivität ist der wichtigste Teil von diesem“, sagt Takebe. „Was wir getan haben, ist die Entwicklung einer Methode für die Herstellung von pre-Orgel Stadium des Entstehens Gewebe, so dass Sie sich natürlich entwickeln. Wir maximieren unsere Fähigkeit, mehrere Organe viel wie oder Körper tut.“
Eine 5-Jahres-quest erreicht wichtiges Ziel
Takebe, Alter 32, trat Cincinnati Children ‚ s im Jahr 2016 und hat einen dual-Termin auf der Tokyo Medical and Dental University (TMDU) in Japan. Er absolvierte medizinische Schule im Jahr 2011 mit den Plänen zu einer Leber-Transplantation Chirurg. Aber als er erfuhr, die klaffende Lücke zwischen Angebot und Nachfrage nach Spenderorganen, Takebe legte den Gang ein, um den Fokus auf organ-Versorgung.
In der bisherigen Forschung, Takebe hat gezeigt, eine Methode zu produzieren, die großen Vorräte der Leber „Knospen“, eine early-stage-form einer Leber-organoide. Er hat auch gewachsen Leber organoids reflektieren Krankheitszuständen, einschließlich steatohepatitis, eine gefährliche form von Leber Narbenbildung und Entzündung, tritt bei manchen Menschen mit Adipositas.
Sein Werk gepriesen wurde durch die kaiserliche Prinz von Japan, die vorgestellt Takebe mit eine Ehre, im Jahr 2018 von der Japan Society for the Promotion of Science. Entdecken Magazin ebenfalls aufgeführt Takebe ist organoid Arbeit als No. 5 in seiner Liste der 100 wichtigsten Errungenschaften der Wissenschaft von 2013.
Aber, sagt Takebe dieses Projekt wird seine größten Auswirkungen noch arbeiten.
„Wir haben darauf hingewiesen, diesen Punkt in der organ-Differenzierung vor einiger Zeit. Aber es dauerte fünf Jahre, um tune up die Kultur system zu ermöglichen, diese Entwicklung zu auftreten“, sagt Takebe.
Wie drei proto-Organe wachsen in concert
Die schwierigsten Teile des Prozesses waren die frühesten Schritte. Takebe arbeitet seit vielen Stunden mit den Kollegen am Cincinnati Children ‚ s einschließlich ersten Autor Hiroyuki Koike, Ph. D., jetzt an der Nippon Medical School in Japan, der nach perfekter Prozess. Sie begann mit der menschlichen Haut Zellen, konvertieren Sie Sie zurück in die primitiven Stammzellen, anschließend Führung und stupsen diese Stammzellen bilden zwei sehr frühen Stadium „Sphäroide“ der Zellen, die Locker als der vorderdarm und Ihrem mitteldarm.
Diese Kugeln von Zellen bilden sich sehr früh in der embryonalen Entwicklung. Bei Menschen, die Sie bilden, spät im ersten Monat der Schwangerschaft. In Mäusen, bilden Sie in nur 8,5 Tagen. Im Laufe der Zeit, diese Bereiche verschmelzen und verwandeln sich in den Organen, die schließlich zum Verdauungstrakt.
Wächst diese Sphäroide in das Labor war ein komplexer Prozess, der erforderlich mit Hilfe der richtigen Zutaten, zur richtigen Zeit. Einst waren Sie reif genug,—ein timing Schritt, der viel Arbeit zu benennen—dann kam der leichtere Teil.
Das team einfach die Sphäroide neben jeder anderen in einem speziellen Labor Gericht. Die Zellen wurden suspendiert, in ein gel, das Häufig verwendet, um Unterstützung organoid Wachstum, dann platziert auf einer dünnen Membran bedeckt, die eine sorgfältig gemischte batch-Wachstums-medium.
„Von diesem Punkt, die Zellen, die wusste, was zu tun ist“, sagt Takebe. (siehe video für illustration)
Das Labor-team einfach beobachtet, wie sich Zellen aus jeder Sphäroid zu verändern begann, auf einander zu treffen an der Grenze zwischen den beiden. Sie bekehren sich, und jeder andere, der in spezialisierten Zellen, die gesehen werden könnte, wechselnden Farben durch Chemische tags, das lab-team angeschlossen hatte, zu den Zellen.
Bald, die Verschmelzung, die änderung Sphären aufgegangen in Filialen, die zu neuen Gruppen von Zellen, und Sie gehörten zu bestimmten Organen. Über einen Zeitraum von 70 Tagen, diese Zellen weiter zu vermehren, in mehr verfeinert und verschiedene Zelltypen. Letztlich ist das mini-organoids begann die Verarbeitung von Gallensäuren, als wären Sie zu verdauen und filtern von Essen.
„Das war völlig unerwartet. Wir dachten, wir müssten die Zutaten hinzufügen oder andere Faktoren zu schieben Prozess“, Koike sagt. „Nicht versuchen zu kontrollieren, diesen biologischen Prozess führte uns zu diesem Erfolg.“
Was bedeutet dieser Vorsprung zu bedeuten???
Aaron Zorn, Ph. D., Direktor der Mitte für Stammzelle und Organoide Medizin (CuSTOM), an der Cincinnati Kinder, sagt dies Voraus, wird nützlich sein, in mehrfacher Hinsicht.
„Der echte Durchbruch war hier, um der Lage sein, um ein integriertes organsystem,“ Zorn sagt. „Aus wissenschaftlicher Sicht ist dies eine einmalige Gelegenheit zum Studium der normalen menschlichen Entwicklung.“
Allerdings Takebe und Kollegen waren in der Lage zu wachsen, diese organoids nur so weit.
Für die langfristige Hoffnung auf wachsende organ, Gewebe groß genug, um nützlich zu sein in human transplantation, Takebe sagt, dass mehr Arbeit notwendig ist. Er und seine Kollegen bereits begonnen haben die arbeiten an Möglichkeiten, um in Immunzellen zusammen mit Zell-Linien erforderlich, bilden Blutgefäße, das Bindegewebe und vieles mehr.
Aber für Forschungs-und diagnostische Zwecke, diese Entdeckung kann mehr unmittelbare Auswirkungen.
In der Präzisions-Medizin, ärzte sind ab zur Nutzung genomischer Daten und andere Informationen, um zu bestimmen, welche Behandlungen am besten für Patienten mit ernster Krankheit, bei welcher Dosis, und mit den wenigsten möglichen Nebenwirkungen.
Ein Leben „gut“ mehrerer Organe bieten würde Wissenschaftlern ein leistungsfähiges Werkzeug für die Untersuchung genau, wie gen-Variationen und andere Faktoren beeinträchtigen die Organentwicklung während der Schwangerschaft und zur Entwicklung zielgerichteter Medikamente zur Behandlung von Bedingungen, nach der Babys geboren werden.
Ein vernetztes system von „Allgemeinen“ menschlichen organoids würde bieten viel mehr Informationen als mit drei organoids in getrennten Gerichten. Wächst eine Reihe von gut organoids für einen bestimmten Patienten könnte es noch mehr exakte Diagnose und individuelle Behandlung.
„Aktuelle Leber regenerative Medizin Ansätze leiden unter der Abwesenheit von Gallengang-verbindungen“, sagt Takebe. „Zwar bleibt noch viel zu tun, bevor wir anfangen können, die menschlichen klinischen Studien, unsere multi-organoid-Transplantation-system wird balanciert, um dieses Problem zu lösen und vielleicht eines Tages eine Lebens-lange Heilung für Patienten mit Leber-Krankheiten.“
Eines Tages darf nicht so weit Weg
Ist zwar viel mehr Arbeit, bleibt Sie vor, Takebe und Kollegen bereits einen Schritt in Richtung auf eine praktische Anwendung.
Das team bereits hat sich eine Reihe von gut organoids das fehlen der gene HES1. Dies ist einer von mehreren bekannten Gene, die eine wichtige Rolle spielen bei der Auslösung biliäre Atresie, ein Zustand, der zerstört die biliary duct system, das führt zu Leberversagen und Tod, es sei denn eine Transplantation bereitgestellt werden können. Diese Bedingung ist die häufigste Ursache für Lebertransplantationen bei Kindern.