Organoids là các cấu trúc thu nhỏ ba chiều (3D) được nuôi cấy trong ống nghiệm được tạo ra từ tế bào gốc đa năng của con người (hPSC) hoặc tế bào gốc trưởng thành (AdSC) có nguồn gốc từ các cá nhân hoặc bệnh nhân khỏe mạnh tái hấp thu tính không đồng nhất của tế bào, cấu trúc và chức năng của các cơ quan của con người.

Sự ra đời của các hệ thống organoid 3D của người giờ đây có thể cho phép quan sát chi tiết đáng kể các hình thái tế bào gốc, duy trì và biệt hóa giống như các mô chính, nâng cao tiềm năng nghiên cứu cả sinh lý con người và giai đoạn phát triển. Vì chúng tương tự như các cơ quan ban đầu của chúng và mang thông tin di truyền của con người, các chất hữu cơ có nguồn gốc từ bệnh nhân hứa hẹn rất nhiều cho nghiên cứu y sinh và thử nghiệm thuốc tiền lâm sàng và hiện đang được sử dụng cho liệu pháp cá nhân hóa, tái tạo, sửa chữa gen và cấy ghép. Trong những thập kỷ gần đây, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra nhiều loại organoids bắt chước các cơ quan trong cơ thể sống. Ở đây, nhóm tác giả cung cấp thông tin cập nhật về các công nghệ biệt hóa in vitro hiện tại của não, võng mạc, thận, gan, phổi, đường tiêu hóa, tim, mạch máu và đa dòng, thảo luận về sự khác biệt giữa các organoid có nguồn gốc từ PSC và AdSC, tóm tắt các ứng dụng tiềm năng của các hệ thống organoid có nguồn gốc từ tế bào gốc trong phòng thí nghiệm và phòng khám, đồng thời phác thảo những thách thức hiện tại đối với việc áp dụng các organoid, điều này sẽ giúp hiểu sâu hơn về các cơ chế phát triển của con người và tăng cường ứng dụng của organoid trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu lâm sàng.

Các ứng dụng của công nghệ organoid

Các organoids trong ống nghiệm tóm tắt lại các nguyên lý sinh học cơ quan và cung cấp các hệ thống mô hình tế bào đơn giản hóa và dễ tiếp cận, mô phỏng các khía cạnh cụ thể của kiến trúc 3D, thành phần của các loại tế bào và chức năng cơ quan của con người. Công nghệ organoid có thể đáp ứng nhu cầu trong nghiên cứu y học và hứa hẹn cho một loạt các ứng dụng tịnh tiến (Hình 1).

Hình 1. Các ứng dụng khác nhau của công nghệ organoid. Sơ đồ mô tả các ứng dụng khác nhau của công nghệ organoid dựa trên các nghiên cứu đã đề cập ở trên. Công nghệ Organoid cung cấp các mô hình lý tưởng bắt chước các bệnh di truyền ở người do đột biến cảm ứng gây ra. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật chỉnh sửa gen như CRISPR/Cas9, các nhà nghiên cứu có thể điều tra một số bệnh liên quan đến khiếm khuyết di truyền. Công nghệ Organoid cũng đã cung cấp một công cụ tiềm năng để khám phá thuốc thông lượng cao và cho phép thử nghiệm độc tính chính xác và nghiên cứu tiền lâm sàng. Những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu ung thư trong các cơ quan đang mở đường cho liệu pháp cấy ghép cơ quan đầy hứa hẹn trong tương lai.

Mô hình hóa bệnh di truyền

Hai ứng dụng chính của organoid người là mô hình hóa các bệnh di truyền ở người và phát triển các chiến lược điều trị mới. Hans Clevers và cộng sự. lần đầu tiên đã thiết lập được các cơ quan mật đường ruột với tế bào gốc ruột trưởng thành. Sau đó, các organoid ruột được áp dụng để nghiên cứu bệnh xơ nang (CF), một bệnh di truyền gây ra bởi đột biến của chất điều chỉnh độ dẫn xuyên màng CF (CFTR). Do đó, một xét nghiệm nhanh chóng và mạnh mẽ để định lượng chức năng CFTR đã được thiết lập để có thể đẩy nhanh chẩn đoán, nghiên cứu chức năng, sàng lọc thuốc và chiến lược y học cá nhân hóa trong nghiên cứu CF. Sau khi các chất hữu cơ trong ruột được chế tạo thành công, ngày càng có nhiều loại chất hữu cơ khác nhau được thiết lập và sử dụng để mô hình hóa bệnh di truyền. Menendez và cộng sự. tạo ra các organoid thận được tạo ra từ một bệnh nhân mắc bệnh thận đa nang, tạo nền tảng cho việc nghiên cứu các rối loạn thận di truyền khác. Gần đây, các cơ quan thận có nguồn gốc từ hiPSC có đột biến GLA đã được sử dụng để nghiên cứu cơ chế và phát triển các phương pháp điều trị mới cho bệnh Fabry. Các bệnh di truyền võng mạc cũng đã được mô hình hóa bằng các organoid võng mạc. Tương tự, các cơ quan tim NKX2-5- và HAND1-knockout (KO) đã được áp dụng để mô hình hội chứng tim trái giảm sản, dị tật bẩm sinh nghiêm trọng nhất ở người. Đặc biệt, các cơ quan não đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các rối loạn di truyền phát triển thần kinh khác nhau. Ví dụ, tật đầu nhỏ, một chứng rối loạn liên quan đến đột biến CDK5RAP2 khó tái hấp thu ở chuột, đã được mô hình hóa bằng các organoid não có nguồn gốc từ iPSC dành riêng cho từng bệnh nhân. Các rối loạn thần kinh khác, bao gồm hội chứng Down, bệnh Alzheimer và PD, cũng đã được mô hình hóa bằng các organoid não.

Khám phá thuốc và đánh giá độc tính của thuốc

Những khám phá y học hiện nay về các bệnh ở người thường gặp phải những hạn chế, chẳng hạn như sự đa dạng của từng cá nhân ở bệnh nhân, kết quả không thể đoán trước và việc thử nghiệm thuốc tốn nhiều thời gian. Các organoid 3D dựa trên một căn bệnh cụ thể đã cho thấy tiềm năng lớn trong sàng lọc thuốc. Các organoid có nguồn gốc từ iPSC của bệnh nhân ung thư nguyên phát, bệnh truyền nhiễm hoặc bệnh phát triển cho thấy các kiểu hình lâm sàng tương tự và có thể là nền tảng tiềm năng cho thử nghiệm thuốc mới. Brotier et al. đã xác định một chất ức chế ERK là một phương pháp điều trị tiềm năng với các organoid ung thư nguyên phát ở người vào năm 2017. Trong cùng năm đó, Crespo et al. đã phát triển các organoid đại tràng từ những bệnh nhân mắc bệnh đa polyp tuyến gia đình (FAP) kết hợp các đột biến trong một chất điều chỉnh tiêu cực của con đường WNT được gọi là gen polyposis coli tuyến (APC). Họ cũng sàng lọc hai hợp chất có hiệu quả trong việc giải cứu sự tăng sinh quá mức của các chất hữu cơ của bệnh nhân, điều này cũng có thể ảnh hưởng đến các chất hữu cơ loại hoang dã. Ngoại trừ các organoid ung thư, các organoid não đã được sử dụng để khám phá thuốc. Các cơ quan vỏ não bị nhiễm ZIKV hiển thị các kiểu hình tương tự như các kiểu hình của hội chứng Zika bẩm sinh, bao gồm lớp tế bào thần kinh mỏng hơn và sự giãn nở của lòng thất. Trong một số nghiên cứu, các cơ quan não bị nhiễm vi-rút đã được áp dụng để cung cấp nền tảng cho việc xác nhận các ứng cử viên thuốc kháng vi-rút, chẳng hạn như duramycin, ivermectin và azithromycin. Sàng lọc thuốc thông lượng cao thường được thực hiện trên các cơ quan đường ruột. Ví dụ, Kenji Kozuka et al. nuôi cấy organoid nhỏ trong ruột kết trong các đĩa 96 giếng và thực hiện sàng lọc thành công khoảng 2000 hợp chất cho các loại thuốc tiềm năng. Một trường hợp khác là một cách tiếp cận liên quan đến việc phát triển các loại thuốc chống tiêu chảy và được đề xuất bởi nhóm của Onur Cil.

Đánh giá độc tính và nghiên cứu tiền lâm sàng của thuốc ở giai đoạn này có những hạn chế nhất định, phản ứng độc tính của nhiều loại thuốc chỉ được phát hiện dần dần trong các nghiên cứu lâm sàng hoặc ở giai đoạn khởi động. Organoid có thể được sử dụng để kiểm tra các phản ứng thuốc thử nghiệm vì phản ứng của chúng giống với các phản ứng mô sinh lý. Do đó, hứa hẹn sẽ thiết lập một mô hình sàng lọc độc tính lâu dài với các đặc điểm sinh lý của con người bằng cách sử dụng các organoid.

Organoids có thể được sử dụng để đánh giá độc tính của thuốc, chẳng hạn như tác dụng phụ đối với gan, tim và thận. Skardal và cộng sự. đã phát triển một hệ thống organoids bao gồm các cơ quan tim, phổi và gan trong một hệ thống tưới máu tuần hoàn duy nhất trong một hệ thống trung bình chung với khả năng cảm biến sinh học có thể được sử dụng để đánh giá tác dụng dược lý và phản ứng độc hại của thuốc trên toàn bộ cơ quan.

Ung Thư

Các organoid đã làm sâu sắc thêm kiến thức của chúng ta về bệnh ung thư ở người. Một thuộc tính chính của organoid làm cho nó có ý nghĩa trong nghiên cứu ung thư là organoid có nguồn gốc từ bệnh nhân có thể bắt chước các đặc điểm của khối u. Theo truyền thống, các mô hình ung thư động vật, dòng tế bào ung thư ở người hoặc xenograft khối u có nguồn gốc từ bệnh nhân chính (PDX) đã trở thành công cụ quan trọng cho nghiên cứu ung thư. Các công nghệ organoid có nguồn gốc từ AdSC được phát triển gần đây hỗ trợ các mô ung thư biến đổi được nuôi cấy trong ống nghiệm dưới dạng các organoid ung thư. Các cơ quan ung thư đại trực tràng có nguồn gốc từ bệnh nhân được thành lập lần đầu tiên vào năm 2011 và các loại cơ quan ung thư khác đã xuất hiện kể từ đó. Không có gì đáng ngạc nhiên, các mô hình cơ quan ung thư khác nhau này cho thấy khả năng tuyệt vời để hiện tượng hóa các khối u ở người. Sử dụng các mô hình này, không chỉ sàng lọc thuốc mà cả nghiên cứu cơ bản cũng có thể được tiến hành. Ví dụ, một hệ thống nuôi cấy đã được sử dụng để nghiên cứu mối quan hệ của các tác nhân lây nhiễm như H. pylori với ung thư dạ dày và các cơ quan dạ dày bị ảnh hưởng đã biểu hiện các hiện tượng bệnh lý tương tự như ung thư. Do đó, việc sử dụng công nghệ organoid là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để hiểu rõ hơn về bệnh ung thư và chuyển các loại thuốc tiền lâm sàng sang điều trị ở bệnh viện.

Y học cá nhân

Đối với nhiều bệnh ung thư, các phương pháp nuôi cấy tế bào truyền thống không thể mô hình hóa đầy đủ sinh học của các khối u tự nhiên, do đó góp phần vào tỷ lệ thất bại cao của các hợp chất tiền lâm sàng trong các thử nghiệm lâm sàng. Với tính ưu việt của các organoid có nguồn gốc từ bệnh nhân (PDO) trong ống nghiệm trong sự phát triển nhanh chóng và sự biệt hóa ổn định cũng như khả năng của PDO trong việc nắm bắt sự đa dạng của bệnh nhân và loại khối u, các organoid có thể được sử dụng để xác định các chiến lược điều trị hiệu quả cho một bệnh nhân cụ thể trong cái gọi là liệu pháp cá nhân hóa. Trong những năm gần đây, những nỗ lực lớn đã được thực hiện để thiết lập thành công biobanks của các organoid được tạo ra từ các khối u khác nhau, bao gồm các khối u tuyến tiền liệt, phổi, đại trực tràng, gan, tuyến tụy và dạ dày. Loại thuốc phù hợp nhất cho bệnh nhân có thể được phát hiện nhanh chóng thông qua xét nghiệm độ nhạy cảm với thuốc; do đó, kế hoạch điều trị bằng thuốc hiệu quả nhất có thể được xây dựng, có thể giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc và giảm tái phát khối u. Chiến lược này có thể cho phép lựa chọn các kế hoạch điều trị lý tưởng. Một ví dụ điển hình là điều trị CF, một bệnh rút ngắn tuổi thọ do đột biến gen CFTR gây ra tổn thương đặc biệt nghiêm trọng cho hệ thống phổi, tiêu hóa và tiết niệu. Berker và cộng sự. đã làm rõ mối tương quan giữa phản ứng sưng do forskolin (FIS) của mô hình cơ quan trực tràng có nguồn gốc từ bệnh nhân CF và phản ứng điều trị in vivo của từng bệnh nhân CF với nhiều đột biến CFTR đã được điều trị bằng một số loại thuốc điều biến CFTR, và đây là ứng dụng lâm sàng đầu tiên của organoid để hướng dẫn dùng thuốc cho từng cá nhân. Nghiên cứu này đã thu hút sự quan tâm đến việc sử dụng xét nghiệm FIS như một dấu ấn sinh học tiềm năng để định lượng các phản ứng lâm sàng của bộ điều biến CFTR riêng lẻ. Một số nghiên cứu cũng đã điều tra rằng các cơ quan ung thư trực tràng có thể được sử dụng để dự đoán phản ứng trong xạ trị lâm sàng. Yao et al. đã thiết lập một ngân hàng sinh học cơ quan sống từ những người mắc bệnh ung thư trực tràng tiến triển cục bộ (LARC) và cho thấy tác dụng của hóa trị liệu tân bổ trợ (nCRT) đối với các cơ quan trong ống nghiệm tương ứng đáng kể với tác động lên khối u của bệnh nhân, cho thấy PDO có thể dự đoán phản ứng hóa trị của bệnh nhân LARC trong phòng khám. Tương tự, Ganesh et al. đã quan sát thấy mối tương quan cao giữa các phản ứng của LARC PDO và phản ứng của các khối u của bệnh nhân đối với xạ trị hoặc hóa trị. Sàng lọc các ứng cử viên thuốc là một ứng dụng lâm sàng quan trọng khác của PDO. Gần đây, một ngân hàng sinh học sống đã được thành lập từ 30 bệnh nhân mắc ung thư biểu mô tuyến tụy (PDAC), với mục đích sàng lọc thuốc thông lượng cao cho 76 tác nhân điều trị. Kết quả cho thấy độ nhạy in vitro đối với các tác nhân này hiện chưa được khai thác trong phòng khám và cho thấy chất ức chế PRMT5 EZP015556 có thể có hiệu quả trong cả PDO âm tính với methylthioadenosine phosphorylase (MTAP) và một tập hợp con PDO dương tính với MTAP, cho thấy tầm quan trọng của phương pháp tiếp cận cá nhân hóa cho điều trị ung thư. Các thử nghiệm lâm sàng với chất ức chế này hiện đang được tiến hành (NCT03573310, NCT02783300 và NCT03614728). Nói chung, những phát hiện này cho thấy PDO có tiềm năng trở thành công cụ mạnh mẽ, hấp dẫn để mô hình hóa bệnh tật và sàng lọc thuốc cá nhân hóa, mở ra một con đường mới cho y học chính xác.

Liệu pháp chỉnh sửa và cấy ghép gen

Sửa chữa gen điều trị các bệnh khác nhau, chẳng hạn như ung thư, tiểu đường, bệnh tim và hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải (AIDS), bằng cách thay đổi các gen mục tiêu bên trong tế bào của cơ thể. Kể từ khi các organoid có nguồn gốc từ tế bào gốc Lgr5+ biến đổi gen đã được tạo ra và cấy ghép thành công vào các mô bị tổn thương, việc sửa chữa gen ngày càng trở nên hứa hẹn. Trong những năm gần đây, công nghệ CRISPR/Cas9 đã được áp dụng để sửa chữa gen vì hiệu quả chỉnh sửa gen cao. Schwank và cộng sự. nhận thấy rằng chức năng CFTR đã được sửa chữa sau khi đột biến CFTR ở người F508del được sửa chữa bằng hệ thống sửa chữa phụ thuộc tương đồng qua trung gian CRISPR/Cas9 và chứng minh chức năng sửa chữa gen, cung cấp liệu pháp gen tiềm năng cho bệnh nhân CF. Đáng chú ý, liệu pháp này đã đạt được trường hợp chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 thành công đầu tiên ở các cơ quan có nguồn gốc từ con người. Do hệ thống sửa chữa phụ thuộc vào tương đồng qua trung gian CRISPR/Cas9 này có thể làm phát sinh các đứt gãy sợi đôi ngoài mục tiêu có thể gây hại, nên một công nghệ tiên tiến hơn có tên là chỉnh sửa adenine dựa trên CRISPR (ABE) đã được phát triển. Phương pháp này cho phép chỉnh sửa cơ sở đúng mục tiêu, bao gồm chuyển đổi chính xác các cặp cơ sở A-T thành cặp cơ sở G-C bằng enzyme, giúp sửa chữa chức năng bị suy giảm do đột biến CFTR. Xem xét tiến trình này, việc chỉnh sửa gen chắc chắn có thể sửa chữa các đột biến gen trong PDO, nhanh chóng đẩy việc sửa chữa gen vào giai đoạn lâm sàng.

Ghép tạng là nguồn lực thiết yếu cần thiết để điều trị bệnh nhân bị suy nội tạng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là tình trạng đào thải mảnh ghép nghiêm trọng và tình trạng thiếu người hiến tạng ngày càng tăng. Các organoid được nuôi cấy in vitro có thể trở thành những nguồn mô tiềm năng, cung cấp một nền tảng đầy hứa hẹn cho liệu pháp cấy ghép tự thân.

Để biến liệu pháp cấy ghép tạng thành hiện thực, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực rất nhiều để xác minh tính khả thi của nó. Ví dụ, Watson và cộng sự. đã cấy ghép một organoid đường ruột có nguồn gốc từ hPSC vào chuột chủ và phát hiện ra rằng cơ quan được cấy ghép cho thấy sự mở rộng và trưởng thành rõ rệt. McLelland và cộng sự. đã chứng minh rằng các tấm organoid võng mạc được cấy ghép có thể hình thành các kết nối khớp thần kinh và các hình chiếu mở rộng ở chuột chủ bị rối loạn võng mạc. Chen và cộng sự. quan sát thấy các cơ quan chồi phổi cho thấy hình thái phân nhánh và đặc điểm gần tương tự như các mô được quan sát trên cơ thể ở thời điểm 5 tháng sau khi cấy ghép ngoài tử cung. Vương và cộng sự. đã phát triển các organoid não và sau đó cấy chúng vào mô hình chuột bị đột quỵ. Họ quan sát thấy khối lượng nhồi máu não giảm và cải thiện chức năng vận động thần kinh sau khi cấy ghép. Đáng chú ý, nhóm của chúng tôi đã xác nhận rằng các organoid não người có thể tích hợp chức năng vào các mạch thần kinh và thiết lập các hình chiếu dưới vỏ não ở chuột chủ. Nhiều nghiên cứu khác về cấy ghép organoid đã được thực hiện, cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng cho việc khám phá liệu pháp cấy ghép.

Mặc dù các organoid được cấy ghép tương đối non nớt so với các cơ quan tự nhiên của vật chủ do sự trưởng thành chức năng chưa hoàn chỉnh và có thể có các tương tác tế bào dị hình, việc sử dụng các organoid trong điều trị vẫn sẽ là một phương pháp điều trị có ý nghĩa thay thế cho việc ghép tạng.

Kết luận và quan điểm của nhóm tác giả

Các organoid người hứa hẹn rất nhiều cho các ứng dụng từ nghiên cứu cơ bản đến y sinh. Mô hình hóa bệnh bằng cách sử dụng các organoid đã được liên kết một cách tự nhiên với thử nghiệm tiền lâm sàng trong giai đoạn phát triển thuốc và sàng lọc thuốc thông lượng cao bằng cách sử dụng các organoid đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu ung thư. Ngoài ra, các organoid ung thư có thể là công cụ tiềm năng để xác định các loại thuốc hiệu quả ở bệnh nhân ung thư. Ví dụ, bệnh nhân ung thư đại trực tràng với các kiểu gen khác nhau đã được chứng minh là có độ nhạy cảm khác nhau với các chất ức chế EZH2. Các hệ thống organoid cũng có thể được áp dụng cho thử nghiệm độ an toàn và độc tính của thuốc vì tính hiệu quả của chúng. Hơn nữa, các công nghệ 3D organoid đã cung cấp các nền tảng hấp dẫn để nghiên cứu các tương tác mầm bệnh của vật chủ trong các bệnh truyền nhiễm khác nhau ở người, bao gồm nhiễm ký sinh trùng đơn bào, vi khuẩn và vi rút. Ví dụ, một nghiên cứu gần đây đã báo cáo rằng các organoid não có thể được sử dụng để điều tra các cơ chế cơ bản của chứng đầu nhỏ do ZIKV gây ra và các organoid bị nhiễm ZIKV được phát hiện là nhỏ hơn so với đối chứng, phù hợp với các triệu chứng quan sát thấy ở bệnh nhân. Một ví dụ đầy cảm hứng khác liên quan đến sự cần thiết gần đây để phát triển các mô hình organoid cho đại dịch SARS-CoV-2 mới nổi. Đại dịch bệnh vi-rút corona 2019 (COVID-19) hiện nay do SARS-CoV-2 gây ra là một căn bệnh có khả năng gây tử vong với tỷ lệ tử vong ở người cao hơn so với bệnh cúm thông thường. Phát triển vắc-xin và phương pháp điều trị chống lại COVID-19 là một vấn đề cấp bách và các organoid người đã cung cấp các công cụ nghiên cứu có giá trị cho nghiên cứu cơ chế bệnh sinh về SARS-CoV-2. Một số nghiên cứu cho thấy rằng các organoid có nguồn gốc từ AdSC bị nhiễm SARS-CoV-2 được tạo ra từ đường thở của con người và ruột cũng như trong các organoid có nguồn gốc từ mạch máu, não và thận có nguồn gốc từ PSC. Organoid cũng đang nổi lên như là nguồn tiềm năng của các mô có thể cấy ghép và các loại tế bào chức năng cho các liệu pháp thay thế tế bào trong y học tái tạo. Nhiều nỗ lực thành công đã được thực hiện để cấy ghép các loại organoid khác nhau vào vật chủ, bao gồm các organoid võng mạc, đại tràng, ruột, gan và thận; các cơ quan này đã được chứng minh là tích hợp hiệu quả với mô chủ hoặc có thể tái tạo lại chức năng của cơ quan ở một mức độ nhất định. Liệu pháp thay thế tự thân cũng sẽ cho phép sử dụng kết hợp các chiến lược chỉnh sửa gen đối với các đột biến liên quan đến bệnh tật.

Mặc dù lĩnh vực organoid 3D đang phát triển và cung cấp các phương pháp đổi mới cho nghiên cứu y sinh và nghiên cứu tịnh tiến lâm sàng, nhưng vẫn còn một số trở ngại cần được giải quyết (Hình 2).

Hình 2. Những thách thức và triển vọng của công nghệ organoid. Quan điểm về những thách thức và triển vọng của các công nghệ organoid. Cụ thể, kích thước của các organoid được phát triển cho đến nay đã bị hạn chế do thiếu cấu trúc mạch máu, nhưng việc thực hiện tạo mạch thông qua nuôi cấy với các tế bào nội mô có thể cung cấp một cách gần như sinh lý để tăng cường trao đổi chất dinh dưỡng. Sự trưởng thành chậm là một yếu tố quan trọng khác hạn chế mô hình bệnh ở các giai đoạn phát triển sau này, nhưng việc xử lý trước các organoid bằng các hợp chất phân tử nhỏ có thể là một giải pháp cho rào cản này. Hơn nữa, việc thiết lập các tương tác mô ngoài da, trung mô và nội bì trong quá trình phát triển có thể là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để cải thiện khả năng tái hấp thu các tương tác của hệ thống cơ quan điển hình được quan sát thấy trên cơ thể sống. Kỹ thuật mô có thể kiểm soát các vật liệu và sự phân bổ chính xác của các loại tế bào khác nhau thông qua các loại kỹ thuật chế tạo sinh học, đây cũng là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để sử dụng nền tảng vi lỏng trong các organoid tổng hợp. Các hệ thống nuôi cấy có thể mang lại những lợi thế của các hệ thống mô hình organoid 3D để nghiên cứu các tương tác chức năng và / hoặc thời gian và không gian giữa các quần thể tế bào khác nhau. Theo các nguyên tắc phát sinh cơ quan trong giai đoạn phát triển phôi, quy định về sự biệt hóa tế bào theo không gian và thời gian có thể được kiểm soát trực tiếp trong ống nghiệm thông qua việc thực hiện các gradient nồng độ và các trung tâm tín hiệu của các hình thái được hướng dẫn bằng hình dạng.

Đầu tiên, nuôi cấy organoid của con người phụ thuộc vào các chất thay thế ECM có nguồn gốc từ chuột, chẳng hạn như chiết xuất Matrigel và màng đáy. Những chiết xuất này cho thấy sự thay đổi thành phần do sản xuất hàng loạt, ảnh hưởng đến khả năng nhân rộng của kết quả thí nghiệm trong nghiên cứu sinh học. Ngoài ra, chúng có thể cản trở quá trình cấy ghép lâm sàng trực tiếp do mầm bệnh chưa biết và các phản ứng miễn dịch tiềm tàng mà chúng gây ra. Thiếu sót này có thể được giải quyết thông qua nuôi cấy với collagen cấp độ lâm sàng. Các chiến lược công nghệ sinh học cũng sẽ cung cấp các hướng mới để cải thiện phương pháp luận.

Một yếu tố khác hạn chế việc sử dụng các phương pháp nuôi cấy organoid hiện tại trong các ứng dụng y học tái tạo trong tương lai là các phương pháp này không có khả năng mô hình hóa các bệnh lý đa cơ quan. Các phương pháp nuôi cấy có thể giải quyết một phần vấn đề này. Một nỗ lực liên quan gần đây đã được báo cáo liên quan đến sự kết hợp của các organoid đường ruột có nguồn gốc từ hPSC và các tế bào mào thần kinh. Hơn nữa, các nghiên cứu gần đây đã nghĩ ra các chiến lược để tạo ra các công nghệ organ-on-a-chip nhằm tạo ra các hệ thống 3D cho phép kết nối và giao tiếp giữa nhiều 'cơ quan' được tạo hình sẵn.

Sự trưởng thành của mô là yếu tố quan trọng thứ ba hạn chế công nghệ organoid phát huy hết tiềm năng của nó đối với các ứng dụng tiền lâm sàng và thậm chí cả lâm sàng. Ví dụ, các hệ thống nuôi cấy organoid tái tạo giai đoạn phát triển não bộ của thai nhi ở mức độ lớn, điều này gây khó khăn cho việc mô hình hóa các rối loạn thần kinh ảnh hưởng đến não người trưởng thành, chẳng hạn như bệnh Alzheimer. Để vượt qua những rào cản này, nhiều giao thức đã được tối ưu hóa để bao gồm tiền xử lý các organoid bằng các hợp chất phân tử nhỏ như BDNF261 để tăng tốc độ trưởng thành. Oxy hóa và khuếch tán chất dinh dưỡng là hai yếu tố quan trọng khác trong quá trình trưởng thành. Việc nuôi cấy organoid trong thời gian dài không mở rộng theo thời gian, mà dẫn đến quá trình chết theo chương trình/hoại tử ngay lập tức để tạo thành một khoang trong lõi củaorganoid, do thiếu oxy. Điều này được quan sát tương đối thường xuyên trong các hệ thống nuôi cấy cơ quan não. Có ý kiến cho rằng khi đường kính của các cơ quan não lên tới xấp xỉ 500 µm, chúng có thể bắt đầu biểu hiện sự căng thẳng của tế bào chuyển hóa, do đó dẫn đến giảm sự phong phú của các phân nhóm tế bào so với mô não của thai nhi bị hủy bỏ. Để giải quyết vấn đề này, các organoid ban đầu được nuôi cấy trong bioreactor quay tròn hoặc sử dụng máy lắc. Những nỗ lực khác đã được thực hiện để đưa ra nhiều chiến lược kỹ thuật cho mạch máu. Ví dụ, các organoid toàn bộ não đã được nhúng lại vào Matrigel có chứa các tế bào nội mô có nguồn gốc iPSC để tạo thành các organoid mạch máu, giúp thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của organoid và cung cấp chất dinh dưỡng. Một nghiên cứu gần đây đã báo cáo rằng việc cấy ghép các organoid vào động vật dẫn đến sự hình thành mạch máu từ não vật chủ; các mạch kết quả có thể vận chuyển oxy và chất dinh dưỡng để hỗ trợ cải thiện khả năng sống sót của các tế bào thần kinh trong mảnh ghép và sự trưởng thành dần dần của các cơ quan não. Hơn nữa, sự kết hợp của vật liệu sinh học, công nghệ nano, kỹ thuật sinh học và các giao thức tiên tiến khác có thể cho phép mở rộng và nuôi cấy lâu dài các organoid người trong tương lai.

Khả năng tái sản xuất hạn chế xử lý một trở ngại lớn trong việc tạo ra các organoid cấp cao hơn và giành quyền kiểm soát các chức năng của chúng là một vấn đề khó hiểu khác. Các yếu tố thiết yếu ảnh hưởng đến khả năng tái tạo của các organoid về cơ bản là chứa sự biến đổi theo lô, khả năng mở rộng sản xuất organoid, thành phần tế bào và cấu trúc của các organoid. Krefft và nhóm của ông đã thiết lập một phương pháp tiếp cận tổ chức tiền đình giúp giảm tính không đồng nhất bằng cách thêm các yếu tố tạo mẫu dựa trên khả năng tự tổ chức của iPSC. Giải quyết những thách thức này, có thể thấy trước rằng một mô hình 3D tương đối chính xác, có thể tái tạo có thể xuất hiện, hiện thực hóa quá trình chuyển đổi công nghệ organoid từ nghiên cứu khoa học sang thực hành lâm sàng và đẩy nhanh quá trình sản xuất organoid quy mô lớn hơn để sàng lọc thuốc.

Đáng chú ý, không giống như các organoid có nguồn gốc từ PSC, các organoid có nguồn gốc từ AdSC chỉ đại diện cho các bộ phận biểu mô của các cơ quan, do đó tóm tắt cấu trúc và chức năng điển hình của biểu mô nguyên thủy; ngược lại, các ngăn của mô đệm, dây thần kinh, tế bào miễn dịch và mạch máu không có. Do đó, các organoid có nguồn gốc từ ASC thể hiện độ phức tạp về cấu trúc thấp hơn so với các organoid có nguồn gốc từ PSC, nhưng gần với mô trưởng thành hơn.

Nhìn chung, các công nghệ organoid mới nổi đã rất hữu ích cho nghiên cứu y sinh, sàng lọc thuốc trong y học cá nhân và kết hợp với công nghệ chỉnh sửa bộ gen, cho liệu pháp gen. Các ứng dụng rộng rãi hơn của organoids đang trong giai đoạn bắt đầu khám phá. Nghiên cứu mở rộng sẽ cho phép các hệ thống 3D organoid bổ sung cho các hệ thống mô hình hiện có, điều này có thể củng cố các nghiên cứu cơ bản và lâm sàng trong tương lai.

(Nguồn: Theo tạp chí Signal Transduction and Targeted Therapy volume 7, Article number: 168 (2022) đăng ngày 24/5/2022. https://www.nature.com/articles/s41392-022-01024-9)