בשלושת העשורים האחרונים, גילוי תרופות מבוססות מטרה (TDD) נעשה שימוש נרחב בגילוי תרופות על ידי תעשיית התרופות. TDD משלב מטרה מולקולרית מוגדרת הממלאת תפקיד חשוב במחלה ומסתמך על פיתוח מערכות תרבית תאים פשוטות יחסית וקריאות לבדיקת תרופות1. רוב מודלי המחלה האופייניים המשמשים בתוכניות TDD כוללים שיטות מסורתיות של תרביות תאים כגון תאים סרטניים או קווי תאים אימורטליים הגדלים בסביבות מלאכותיות ומצעים לא פיזיולוגיים. למרות שרבים מהמודלים הללו סיפקו כלים מעשיים לזיהוי מועמדים מוצלחים לתרופות, השימוש במערכות כאלה יכול להיות מוטל בספק בשל הרלוונטיות הנמוכה שלהןלמחלה 2.
עבור רוב המחלות, המנגנונים הבסיסיים הם אכן מורכבים וסוגי תאים שונים, מסלולי איתות עצמאיים וקבוצות מרובות של גנים נמצאים לעתים קרובות כתורמים לפנוטיפ מחלה ספציפי. זה נכון גם לגבי מחלות תורשתיות שבהן הגורם העיקרי הוא מוטציה בגן אחד. עם הופעתן לאחרונה של טכנולוגיות תאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי בני אדם (iPSC) וכלי עריכת גנים, כעת ניתן ליצור אורגנואידים תלת-ממדיים ומודלים של מחלות איברים-על-שבב שיכולים לשחזר טוב יותר את המורכבות האנושית in vivo 3,4. הפיתוח של טכנולוגיות כאלה קשור להתעוררות מחודשת בעניין בתוכניות גילוי תרופות פנוטיפיות (PDD)1. ניתן להשוות PDD לבדיקות אמפיריות, מכיוון שהן אינן מסתמכות על ידע על זהותו של יעד תרופה ספציפי או על השערה לגבי תפקידה במחלה. גישת PDD מוכרת כיום יותר ויותר כתורמת רבות לגילוי תרופות ראשונות מסוגן5. מכיוון שהפיתוח של טכנולוגיות אורגנואידים ואיברים-על-שבב אנושיים עדיין בחיתוליו, צפוי כי מודלים iPSC (בשילוב עם כלי הדמיה ולמידת מכונהחדשניים 6,7) יספקו, בעתיד הקרוב, מספר מודלים חדשניים חדשניים מבוססי תאים מורכבים לבדיקת תרופות ותוכניות PDD נלוות כדי להתגבר על הפרודוקטיביות הירודה של גישת TDD8, 9.
בעוד שמודלים אנושיים של אורגנואידים ואיברים-על-שבב יכולים לספק תובנות חשובות על מורכבות המחלה ועל זיהוי תרופות חדשות, הכנסת תרופות לפרקטיקה קלינית חדשה מסתמכת במידה רבה גם על נתונים ממודלים של בעלי חיים כדי להעריך את יעילותן ובטיחותן. ביניהם, עכברים מהונדסים גנטית הם ללא ספק המודלים המועדפים ביותר על יונקים. יש להם יתרונות רבים מכיוון שיש להם זמן דור קצר יחסית ליונקים, יש להם פנוטיפים דומים רבים למחלות אנושיות, וניתן לבצע בהם מניפולציות גנטיות בקלות. לכן הם נמצאים בשימוש נרחב בתוכניות גילוי סמים10. עם זאת, גישור על הפער בין עכברים לבני אדם נותר אתגר חשוב11. הפיתוח של מודלים של עכברי מבחנה המקבילים למודלים של אורגנואידים אנושיים ואיבר על שבב יכול למלא את הפער הזה לפחות חלקית, שכן הוא יאפשר השוואות ישירות של יעילות ובטיחות של תרופות בין עכבר in vivo לבין נתונים אנושיים במבחנה.
כאן מתוארת בדיקת הנבטת כלי דם בגופי עובר עכבר (EBs). כלי הדם מורכבים מתאי אנדותל (רירית פנימית של דפנות כלי הדם), תאי קיר (תאי שריר חלק של כלי דם ופריציטים)12. פרוטוקול זה מבוסס על התמיינות של תאי גזע עובריים של עכברים (mESCs) לתאי EB וסקולריים באמצעות טיפות תלויות המשחזרות התמיינות תאי אנדותל ותאי קיר13,14. ניתן לקבוע בקלות תאי גזע עובריים בעכבר בתרבית מבלסטוציסטים של עכבר מיום 3.5 מבודדים בעלי רקע גנטי שונה15. הם גם מספקים אפשרויות לניתוח שבטים, מעקב אחר שושלת, וניתן בקלות לבצע בהם מניפולציה גנטית כדי ליצור מודלים של מחלות13,16.
מכיוון שכלי הדם מזינים את כל האיברים, אין זה מפתיע שמחלות רבות, אם לא כולן, קשורות לשינויים בכלי הדם. בתנאים פתולוגיים, תאי אנדותל יכולים לאמץ מצב פעיל או יכולים להפוך לבלתי מתפקדים וכתוצאה מכך מוות של תאי קיר או נדידה הרחק מכלי הדם. אלה יכולים לגרום לאנגיוגנזה מוגזמת או לרפרקציה של כלי דם, יכולים לגרום לזרימת דם לא תקינה ומחסום כלי דם פגום המוביל לאקסטרווציה של תאי מערכת החיסון, ודלקת12,17,18,19. המחקר לפיתוח תרופות המווסתות את כלי הדם הוא אפוא גבוה, וכבר זוהו שחקנים ומושגים מולקולריים רבים למיקוד טיפולי. בהקשר זה, הפרוטוקול המתואר מתאים במיוחד לבניית מודלים של מחלות ולבדיקות תרופתיות, שכן הוא משחזר מאפיינים מרכזיים של אנגיוגנזה של הנבטת in vivo, כולל בחירת תאי קצה אנדותל וגבעול, נדידה ושגשוג של תאי אנדותל, הנחיית תאי אנדותל, היווצרות צינוריות וגיוס תאי קיר. הוא גם מראה קווי דמיון עם בדיקות כלי דם תלת-ממדיות שתוארו לאחרונה המבוססות על טכנולוגיות iPSC אנושיות20.