Управление органоидами светом: сочетание пространственной транскриптомики и оптогенетики
Органоиды — трёхмерные клеточные культуры, способные воспроизводить структуры тканей и функции органов в чашке Петри. Они играют ключевую роль в медицинских и клинических исследованиях для понимания развития болезней, органогенеза и действия лекарств.
Обычно миниатюрные органы получают из стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в любой тип клеток. Для этого их «подкармливают» факторами роста в питательном растворе, где клетки собираются в кластеры и начинают функционировать как в реальной ткани. Ранее контролировать этот процесс было почти невозможно.
Исследователи под руководством профессора Николауса Раевски из Берлинского института биологии медицинских систем (MDC-BIMSB) опубликовали в Nature Methods работу, описывающую технологию, которая позволяет инициировать, контролировать и наблюдать этот процесс во времени и пространстве.
«Мы объединили пространственную транскриптомику с оптогенетикой, — говорит ведущий автор доктор Ивано Леньини. — Это позволяет нам как контролировать экспрессию генов в живых клетках, так и наблюдать за их поведением».
Использование световых сенсоров для активации или блокировки генов
В оптогенетике в клетки вводят естественные или искусственные «световые сенсоры». При попадании света они, в зависимости от программирования, активируют или блокируют гены. Леньини установил такие сенсоры в нейрональных клетках-предшественниках, полученных из стволовых клеток, которые формируют нейральные органоиды.
Учёные исследовали, как развивается нервная система у человеческого эмбриона, где ключевую роль играют морфогены — молекулы, которые сигнализируют клеткам-предшественникам, стать ли нейронами переднего мозга или, например, задней части спинного мозга.
Исследователи использовали свет для активации морфогена Sonic Hedgehog. Последующий пространственно разрешённый анализ отдельных клеток показал, что клетки в ответ организовались в стереотипно структурированные органоиды.
Свет создавали двумя способами:
- С помощью лазерного микроскопа.
- С помощью цифрового микрозеркального устройства, разработанного группой Раевски в сотрудничестве с доктором Эндрю Вёлером.
Микрозеркальный микроскоп оснащён чипом с сотнями тысяч крошечных зеркал. Их можно запрограммировать так, чтобы микроскоп, в отличие от лазера, воздействующего на одну точку, создавал сложные световые паттерны на образце.
Точность и перспективы
«Наш метод позволяет очень точно воспроизводить в чашке Петри процессы, связанные с экспрессией генов в ткани», — говорит Леньини.
Он планирует улучшить пространственное и временное разрешение технологии и сделать её применимой для других органоидов. Раевский также хочет усовершенствовать метод и применять его в клинически значимых моделях человеческих органоидов.