Биоинженерные органоиды кожи: от разработки к применению

Sep 30, 2023

Военно-медицинские исследования том 10, Номер статьи: 40 (2023) Цитировать эту статью

485 Доступов

5 Альтметрика

Подробности о метриках

За последние годы были достигнуты значительные успехи в разработке сложных органоидов кожи. Выступая в качестве трехмерных моделей, имитирующих человеческую кожу, эти органоиды превратились в сложные структуры и все чаще признаются в качестве эффективной альтернативы традиционным культурным моделям и человеческой коже благодаря своей способности преодолевать ограничения двумерных систем и этические проблемы. Присущая органоидам кожи пластичность позволяет создавать из них физиологические и патологические модели, что позволяет изучать развитие кожи и динамические изменения. В этом обзоре представлен обзор ключевой работы по переходу от трехмерного многослойного эпидермиса к кистоподобным органоидам кожи с придатками. Кроме того, в нем освещаются последние достижения в области конструирования органоидов, чему способствуют самые современные инженерные технологии, такие как 3D-печать и микрофлюидные устройства. В обзоре также суммируются и обсуждаются разнообразные применения органоидов кожи в биологии развития, моделировании заболеваний, регенеративной медицине и персонализированной медицине, при этом рассматриваются их перспективы и ограничения.

Кожа, являясь самым большим органом тела, выполняет ряд функций, включая защиту, чувствительность и терморегуляцию. Он состоит из трех слоев, окруженных мембраной: эпидермиса, дермы и гиподермы. Эпидермис состоит из тесно связанных между собой кератиноцитов, которые образуют роговой слой, способный противостоять факторам окружающей среды. Дерма представляет собой сложную структуру, в которой расположены механорецепторы, сенсорные нервы, кровеносные сосуды, потовые железы, волосяные фолликулы, а также обильный внеклеточный матрикс и фибробласты. Гиподерма содержит подкожную жировую ткань, запасающую энергию и факторы роста [1, 2]. В коже также имеется надежная иммунная система, включающая клетки Лангерганса в эпидермисе, дендритные клетки в дерме как часть врожденной иммунной системы и периферические лейкоциты, рекрутируемые во время устойчивости к инфекции [3].

Концепция органоидов развивалась вместе с достижениями в смежных областях. В широком смысле органоиды представляют собой трехмерные (3D) культуры, полученные из плюрипотентных стволовых клеток, фетальных стволовых клеток или взрослых стволовых клеток. В более широком смысле органоиды относятся к 3D-культурам клеток, которые могут имитировать определенные особенности органов или тканей человеческого тела. В нашем обзоре это более широкое определение охватывает понятия «клеточный сфероид или агрегат», «реконструированная трехмерная кожа» и «биоинженерная структура кожи». Органоиды кожи, обсуждаемые в этом обзоре, представляют собой трехмерные тканевые конструкции in vitro, содержащие различные типы клеток и демонстрирующие морфологическую и функциональную компетентность в качестве заменителей кожи.

Идея использования системы культуры кожи в качестве заменителя in vitro была впервые предложена в 1975 году. Rheinwatd et al. [4] были пионерами в разработке стратегии самоорганизации для создания плоского эпителия, которая включала серийное совместное культивирование первичных кератоцитов человека и облученных фибробластов мыши. Этот прорыв проложил путь к культивированию самоорганизующихся тканей кожи in vitro. В 1989 году была введена стратегия питания фибробластов, обеспечивающая стабильное заселение и расширение кератиноцитов [5]. Впоследствии эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) были последовательно использованы в качестве мощных и эффективных инструментов для изучения органогенеза кожи in vitro. В конце 2000-х и начале 2010-х годов были разработаны 3D-самоорганизующиеся стратифицированные эпидермальные эквиваленты, полученные из ЭСК и ИПСК, что представляет собой важную веху в области органоидов кожи [6,7,8,9,10]. Это ознаменовало собой крупный прорыв: органоиды кожи стали мощными инструментами для культивирования кожи in vitro. В 2020 году Ли и др. [11] сообщили о создании почти полной in vitro самоорганизующейся системы кожи, дифференцированной из ИПСК, образующей иерархический кожный органоид, повторяющий многие придаточные структуры, включая волосяные фолликулы. Практически одновременно были разработаны органоиды, содержащие сальные или потовые железы, происходящие из перепрограммированных клеток эпителиальной ткани, что демонстрирует интеграцию придатков в систему генерации зрелой кожи [12, 13] (рис. 1а).