Modelowanie chorób ludzkich w hodowlach komórkowych i modelach zwierzęcych dostarczyło nieocenionych narzędzi do odkrywania, modyfikowania i walidacji terapii farmakologicznej, umożliwiając im przejście od kandydującego leku do zatwierdzonej terapii. Chociaż połączenie modeli in vitro i in vivo z udziałem innych niż ludzie od dawna stanowi kluczowy element procesu opracowywania leków, często nie są one w stanie przewidzieć skuteczności klinicznej nowych kandydatów na leki1. Istnieje wyraźna potrzeba opracowania technologii, które wypełnią lukę między uproszczonymi monokulturami komórkowymi a badaniami klinicznymi. Ostatnie osiągnięcia technologiczne w zakresie samoorganizujących się trójwymiarowych kultur tkankowych, organoidów, poprawiły ich wierność w stosunku do modelowanych tkanek, co czyni je obiecującymi narzędziami w procesie przedklinicznego opracowywania leków2.
Główną przewagą hodowli komórek ludzkich nad modelami in vivo innymi niż ludzkie jest możliwość odtworzenia specyficznych zawiłości ludzkiego metabolizmu, które mogą się znacznie różnić nawet między kręgowcami wyższego rzędu, takimi jak ludzie i myszy3. Jednak ta specyfika może zostać przyćmiona przez utratę złożoności tkanki; Tak jest w przypadku tkanki siatkówki, w której wiele typów komórek jest misternie splecionych i ma unikalną symbiotyczną interakcję metaboliczną między podtypami komórkowymi, której nie można powielić w monokulturze4. Ludzkie organoidy, które zapewniają kopię złożonych tkanek ludzkich z dostępnością i skalowalnością hodowli komórkowej, mają potencjał, aby przezwyciężyć braki tych platform do modelowania chorób.
Organoidy siatkówki pochodzące z komórek macierzystych okazały się szczególnie wierne w modelowaniu złożonej tkanki ludzkiej siatkówki nerwowej5. To sprawiło, że model organoidu siatkówki stał się obiecującą technologią do badania i leczenia chorób siatkówki6,7. Do tej pory większość modelowania chorób w organoidach siatkówki koncentrowała się na monogenowych chorobach siatkówki, w których organoidy siatkówki pochodzą z linii iPSC z chorobotwórczymi wariantami genetycznymi7. Są to na ogół wysoce penetrujące mutacje, które objawiają się jako fenotypy rozwojowe. Mniej skutecznie wykonano w zakresie chorób związanych ze starzeniem się, w których mutacje genetyczne i stresory środowiskowe wpływają na tkanki, które rozwijają się normalnie. Choroby neurodegeneracyjne związane ze starzeniem się mogą mieć złożone dziedziczenie genetyczne i wpływ stresorów środowiskowych, które są z natury trudne do modelowania przy użyciu krótkoterminowych hodowli komórkowych. Jednak w wielu przypadkach te złożone choroby mogą łączyć się ze zwykłymi stresorami komórkowymi lub metabolicznymi, które po przetestowaniu na w pełni rozwiniętej tkance ludzkiej mogą dostarczyć potężnego wglądu w choroby neurodegeneracyjne związane ze starzeniem się8.
Choroba zwyrodnieniowa plamki żółtej o późnym początku, teleangiektazja plamkowa typu II (MacTel), jest doskonałym przykładem genetycznie złożonej choroby neurodegeneracyjnej, która łączy się w powszechny defekt metaboliczny. MacTel to rzadka choroba zwyrodnieniowa siatkówki wynikająca ze starzenia się, która powoduje utratę fotoreceptorów i gleju Müllera w plamce żółtej, co prowadzi do postępującej utraty widzenia centralnego9,10,11,12,13. W MacTel nieokreślone, prawdopodobnie wieloczynnikowe, dziedziczenie genetyczne powoduje powszechne zmniejszenie krążącej seryny u pacjentów, co skutkuje wzrostem neurotoksycznej formy lipidów zwanej deoksysfingolipidami (deoxySL)14,15. Aby udowodnić, że akumulacja deoxySL jest toksyczna dla siatkówki i zwalidować potencjalne terapie farmaceutyczne, opracowaliśmy ten protokół do badania toksyczności fotoreceptorów w organoidach ludzkiej siatkówki14.
Tutaj przedstawiamy szczegółowy protokół różnicowania ludzkich organoidów siatkówki, ustalania testu toksyczności i ratowania za pomocą organoidów oraz ilościowego określania wyników. Podajemy udany przykład, w którym określamy specyficzną dla tkanki toksyczność podejrzewanego czynnika chorobotwórczego, deoxySL, i walidujemy stosowanie bezpiecznego leku generycznego, fenofibratu, w potencjalnym leczeniu toksyczności siatkówki wywołanej przez deoksySL. Wcześniejsze prace wykazały, że fenofibrat może zwiększać degradację deoxySL i obniżać krążący deoxySL u pacjentów, jednak jego skuteczność w zmniejszaniu toksyczności siatkówkowej wywołanej przez deoksySL nie została przetestowana16,17. Chociaż przedstawiamy konkretny przykład, protokół ten może być wykorzystany do oceny wpływu dowolnej liczby stresorów metabolicznych/środowiskowych i potencjalnych leków terapeutycznych na tkankę siatkówki.