Ludzkie mięśnie z komórek macierzystych – nowa era medycyny regeneracyjnej
Dystrofie mięśniowe stanowią grupę chorób genetycznych, które stopniowo osłabiają tkankę mięśniową, powodując przewlekłą niepełnosprawność u dotkniętych nimi osób. Często choroba ujawnia się w dzieciństwie, a z powodu jej nieuleczalności stanowi obciążenie społeczno-ekonomiczne, gdyż wymaga wielokrotnych hospitalizacji i stałej opieki domowej. Aby opracować nowe terapie, w pierwszej kolejności konieczne jest stworzenie zaawansowanych, wiarygodnych modeli in vitro, które wiernie imitują ludzką tkankę i konkretną chorobę. Tradycyjne dwuwymiarowe hodowle komórkowe nie są w stanie odtworzyć złożoności prawdziwych mięśni ani charakterystycznych dla nich sił mechanicznych, zaś wykorzystanie modeli zwierzęcych często daje niedokładny obraz przebiegu danej choroby u człowieka.
Organoidy mięśniowe z ludzkich komórek macierzystych
Celem finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) projektu HISTOID było opracowanie pionierskich ludzkich mięśni 3D wraz z nerwami i naczyniami krwionośnymi, zdolnych do dokładnego odwzorowania zaburzeń mięśniowych. Ważnym aspektem prac było odtworzenie dynamicznych skurczów i naprężeń mechanicznych, jakie występują w żywych mięśniach. „Musieliśmy zmierzyć się z głównym wyzwaniem w modelowaniu mięśni, jakim jest utrzymanie kurczliwej tkanki w hodowli bez odrywania się komórek”, mówi główny badacz Francesco Saverio Tedesco(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zespół stworzył środowisko 3D z włóknami mięśniowymi na bazie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (komórek iPS), uzyskanych z komórek somatycznych dzięki przeprogramowaniu ich w laboratorium do postaci podobnej do komórek zarodkowych. Naukowcy z powodzeniem stworzyli sztuczne mięśnie dzięki połączeniu biokompatybilnych materiałów, takich jak fibryna, z maksymalnie czterema typami komórek (włókna mięśniowe, komórki śródbłonka, perycyty i neurony ruchowe) pobranych od tego samego pacjenta i uzyskanych z komórek iPS. Te wytworzone metodą bioinżynierii mięśnie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) nie tylko morfologicznie i funkcjonalnie przypominają dojrzałe mięśnie, ale także zawierają komórki macierzyste przypominające mięśniowe komórki satelitarne. Ta innowacja pozwoliła uzyskanym strukturom przetrwać dłużej, niż jest to możliwe w przypadku standardowych systemów. Jednocześnie uczonym udało się odtworzyć architekturę tkanki i umożliwić dokładne wykrycie cech specyficznych dla choroby, takich jak zniekształcone jądra, jakie obserwuje się w przypadku niektórych dystrofii mięśniowych.
Zaawansowane modelowanie chorób
Platforma HISTOID oferuje wyraźną przewagę nad wcześniejszymi modelami, gdyż umożliwia zachowanie struktury i funkcji trójwymiarowych organoidów mięśniowych na tyle długo, by uczeni mogli zaobserwować charakterystyczne cechy chorób mięśni. W związku z tym stanowi ona potężne narzędzie do badania aktualnie stosowanych i nowych terapii, takich jak terapia genowa, edycja genów i metody przeszczepiania komórek macierzystych w przypadku chorób mięśni. Jak podkreśla Tedesco, „zaawansowane terapie, w tym terapie genowe i komórkowe, wykazują różną skuteczność u ludzi w porównaniu z wynikami obserwowanymi u myszy lub innych zwierząt, stąd też skupiamy się na stworzeniu wiarygodnego modelu na potrzeby badania przyszłych terapii bezpośrednio na ludzkich tkankach”.
Przygotowanie do zastosowań klinicznych
W ramach projektu HISTOID powstało pionierskie narzędzie: kurczliwy organoid 3D imitujący ludzkie mięśnie, który odtwarza cechy specyficzne dla choroby i reaguje w istotny sposób na zaawansowane bioterapeutyki. Model ten może dać szansę na połączenie badań laboratoryjnych z zastosowaniami klinicznymi, oferując dokładniejszą, mającą istotne znaczenie dla człowieka platformę na potrzeby walidacji metod leczenia opartych na genach i komórkach. Bazując na sukcesie projektu HISTOID, naukowcy połączyli siły z laboratoriami i innymi badaczami nie tylko z Europy, ale i ze świata, tworząc konsorcjum projektu MAGIC(odnośnik otworzy się w nowym oknie), który otrzymał finansowanie z programów „Horyzont Europa”, UKRI oraz SERI. Projekt ma na celu zwiększenie skali technologii i wykorzystanie jej do opracowywania i badania nowej generacji terapii genowych przeznaczonych do leczenia szeregu nieuleczalnych chorób nerwowo-mięśniowych wieku dziecięcego. „Naszym zamiarem jest radykalne skrócenie fazy przedklinicznej dzięki umożliwieniu testowania terapii na organoidach imitujących ludzkie mięśnie, zanim rozpoczną się badania kliniczne. W zamyśle przyspieszy to wdrożenie leczenia pacjentów, którzy obecnie cierpią na nieuleczalne choroby mięśni”, podsumowuje Tedesco.
