Konieczność włączenia złożonych modeli komórkowych do modelowania chorób

Tradycyjne modelowanie chorób w dużej mierze opiera się na zastosowaniu unieśmiertelnionych linii komórkowych, takich jak komórki HeLa i HEK293 oraz komórek pierwotnych pochodzących z tkanek zwierzęcych lub ludzkich. Chociaż modele te umożliwiły wiele przełomowych odkryć naukowych, nie uwzględniają złożonego rozwoju stanów chorobowych u pacjentów.

Złożone modele komórkowe, takie jak iPSC i hodowle 3D, reprezentują zmianę paradygmatu w modelowaniu chorób. Komórki iPSC, dzięki swojej zdolności do różnicowania się w dowolny typ komórek, stanowią odnawialne źródło komórek specyficznych dla pacjenta, zachowując przy tym informację genetyczną dawcy. Pozwala to na modelowanie chorób z komponentem genetycznym w sposób specyficzny dla pacjenta, zapewniając wgląd w spersonalizowany charakter postępu choroby i odpowiedzi na leczenie. Komórki iPSC umożliwiają także badanie rzadkich chorób, w przypadku których próbki od pacjentów są ograniczone, poszerzając zakres badań i potencjalnych interwencji terapeutycznych.

Trójwymiarowe (3D) modele komórek, w tym organoidy i sferoidy, jeszcze bardziej zwiększają możliwości zastosowania komórek iPSC, zapewniając stabilniejszy szablon rozwoju struktur tkankowych. Modele te odtwarzają architekturę i wielokomórkową złożoność narządów, w tym tworzenie gradientów tlenu, składników odżywczych i cząsteczek sygnalizacyjnych, które są niezbędne do zrozumienia postępu choroby i skuteczności terapii.

Prognozujące modele komórkowe chorób neurodegeneracyjnych

Zastosowanie komórek iPSC w modelowaniu chorób neurodegeneracyjnych umożliwia szczegółowe badanie mechanizmów chorobowych z niespotykaną dotąd precyzją. Neurony pochodzące z hodowli komórek iPSC mogą wykazywać kluczowe cechy choroby Alzheimera, w tym agregację peptydu beta-amyloidu i hiperfosforylację białka tau, zapewniając dynamiczny system do badania postępu choroby. Ponadto komórki iPSC umożliwiają badanie zmniejszenia ilości neuronów i utratę dysfunkcji synaptycznych – kluczowych dla zrozumienia neurodegeneracji.

Poza swoją rolą w modelowaniu patologii chorób komórki iPSC zmieniają sposób odkrywania i opracowywania leków. Komórki nerwowe pochodzące z hodowli iPSC umożliwiają wysokowydajne badania przesiewowe w celu wskazania potencjalnych środków terapeutycznych oraz oceny toksyczności i skuteczności leku, przyspieszając w ten sposób drogę od badań laboratoryjnych do zastosowań klinicznych.

Techniki hodowli komórkowej 3D oparte na komórkach macierzystych znacznie poprawiły zdolność do modelowania chorób neurodegeneracyjnych. W przypadku choroby Alzheimera trójwymiarowe organoidy mózgowe umożliwiają obserwację tworzenia się płytek amyloidowych i splątków neurofibrylarnych, zapewniając dokładniejszą platformę do badania mechanizmów choroby i oceny kandydatów na leki. Te modele 3D usprawniają także badanie czynników pozaneuronowych w neurodegeneracji, w tym udziału mikrogleju w zapaleniu i wpływu astrocytów na zdrowie neuronów.

Plusy i minusy tradycyjnych technik analizy komórek

Tradycyjne techniki biologii komórki, takie jak cytometria przepływowa i obrazowanie typu High Content Imaging, odegrały kluczową rolę w badaniu procesów komórkowych i stanów chorobowych. Cytometria przepływowa analizuje poszczególne komórki, dostarczając szczegółowych danych na temat stanu komórek, wielkości i ekspresji markerów za pomocą fluoroforów i znakowanych przeciwciał. Obrazowanie typu High Content Imaging umożliwia wizualizację i analizę statycznych populacji komórek, wychwytywanie heterogeniczności wraz z analizą podzbiorów na poziomie pojedynczych komórek.

Metody te mają jednak ograniczenia, szczególnie w przypadku złożonych modeli komórkowych. Procesy przygotowawcze i znakowania wymagane w cytometrii przepływowej oraz obrazowania typu High Content Imaging mogą zmieniać środowisko komórkowe, potencjalnie wprowadzając artefakty, które wpływają na wyniki eksperymentów. Co więcej, techniki te zazwyczaj dokonują pomiarów w pojedynczych punktach czasowych, pomijając dynamiczne zmiany komórkowe zachodzące w czasie, które są kluczowe dla zrozumienia postępu choroby.

Monitorowanie zachowania komórek w czasie rzeczywistym

Analiza żywych komórek pozwala pokonać wiele z tych ograniczeń, umożliwiając ich ciągłe monitorowanie. Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku złożonych modeli, zapewniając wgląd w czasie rzeczywistym w zachowanie i funkcjonowanie żywych komórek, bez zakłócania ich naturalnego stanu. Przykładowo, analiza żywych komórek pozwala obserwować wzrost i dojrzewanie neuronów pochodzących z hodowli iPSC lub rozwój sieci neuronowych w trójwymiarowych organoidach mózgu, oferując wgląd w te procesy.

Technologie, takie jak Incucyte® (Sartorius), są dostosowane do analizy żywych komórek, umożliwiając ich automatyczne obrazowanie i analizę w kontrolowanym środowisku wewnątrz inkubatora. Nieinwazyjna analiza komórek pozwala na wykrywanie zmian na poziomie morfologii komórek, ich funkcji oraz interakcji z innymi komórkami. Ponadto zdolność systemu do jednoczesnego monitorowania wielu parametrów, takich jak morfologia komórek i ekspresja markerów, jest nieoceniona w zrozumieniu złożonych zachowań komórkowych, m.in. fagocytozy.

Liczne prace badawcze potwierdzają użyteczność analizy żywych komórek w testach neurologicznych, w tym badanie przeprowadzone przez grupę Jessiki Tilman w Axol Bioscience Ltd., gdzie wykazano udział oraz funkcję specyficznych komórek ALS w stwardnieniu zanikowym bocznym [5]. Ich praca ujawniła różnice morfologiczne i funkcjonalne między zdrowymi komórkami ALS i komórkami ALS pochodzącymi z hodowli iPSC, przy czym neurony ruchowe ALS wykazują zdezorganizowaną strukturę i nieregularne wzorce aktywowania, a mikroglej ALS wykazuje zmniejszoną fagocytozę. W wyżej opisanych badaniach wykorzystano system Incucyte® do pomiaru spontanicznej aktywności neuronów i fagocytozy mikrogleju, podkreślając wartość monitorowania zachowania komórek w czasie rzeczywistym.

Podsumowanie

Integracja zaawansowanych modeli komórkowych z analizą żywych komórek stanowi istotny postęp w badaniach nad chorobami neurodegeneracyjnymi. Nieinwazyjne podejście pozwala na ciągłe gromadzenie istotnych danych, zwiększając wiedzę na temat mechanizmów choroby i efektów leczenia. W miarę ewolucji tych technik będą one odgrywać zasadniczą rolę w poprawie wyników leczenia pacjentów. 

Autorki:

PhD Renata Gronczewska, Sales Manager BioAnalytics EEMA, mail: Renata.Gronczewska@Sartorius.com, tel.: +48 609 500 695

PhD Tina Shahian, Content Writer Sartorius