वैज्ञानिकों को अपनी पसंदीदा जैविक घटनाओं को देखने और समझने के लिए उपयुक्त कोशिका या ऊतक सामग्री की आवश्यकता होती है। पशु मॉडल, 2डी मोनोलेयर सेल कल्चर, और 3डी ऑर्गेनॉइड सामान्य प्रणालियां हैं जो जीवविज्ञानियों को एक कोशिका से पूरे जीव में नई प्रक्रियाओं और कार्यों की खोज करने की अनुमति देती हैं।

जबकि मॉडल जीव और 2डी सेल कल्चर तकनीक अद्वितीय लाभ प्रदान करते हैं, वे जटिल मानव शरीर विज्ञान और रोगों के अध्ययन के लिए अपर्याप्त रहते हैं। उदाहरण के लिए, पशु मॉडल मानव-विशिष्ट जैविक प्रक्रियाओं को पकड़ने में विफल होते हैं और उच्च-थ्रूपुट इमेजिंग और ड्रग स्क्रीनिंग परख के लिए उत्तरदायी नहीं होते हैं। इसके अतिरिक्त, सेलुलर फिजियोलॉजी विवो की तुलना में 2डी मानव सेल संस्कृतियों में भिन्न होती है, और संस्कृतियां सेल आकृति विज्ञान, सेल-सेल इंटरैक्शन और अन्य सेल और ऊतक कार्यों पर मज़बूती से कब्जा नहीं कर सकती हैं। मानव रोगी-व्युत्पन्न 3डी ऑर्गेनोइड्स जो संरचना और कार्य में विवो ऊतक के समान दिखते हैं, अन्य प्रणालियों की सीमाओं को दूर करते हैं, जिससे वे मानव स्वास्थ्य को समझने के लिए सबसे सटीक मॉडल प्रणालियों में से एक बन जाते हैं।^1,2

मानव रोग अनुसंधान में उनके कई अनुप्रयोगों के कारण, वैज्ञानिकों ने वर्षों से विभिन्न ऊतक और अंग प्रकारों के लिए ऑर्गेनॉइड जनरेशन प्रोटोकॉल विकसित किए हैं। हालाँकि, ऑर्गेनॉइड प्रोटोकॉल लंबे, थकाऊ और त्रुटि प्रवण होते हैं। व्यावसायिक रूप से विकसित ऑर्गेनॉइड एक मजबूत, उच्च-गुणवत्ता और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य सामग्री प्रदान करते हैं जो शोधकर्ताओं के बहुमूल्य समय और संसाधनों को बचाता है। MilliporeSigma क्रायोसंरक्षित प्रदान करता है मानव प्रेरित प्लुरिपोटेंट स्टेम सेल (आईपीएससी)-व्युत्पन्न आंत, बृहदान्त्र और पेट के अंग. इनके साथ, वैज्ञानिक मानव आंतों की प्रतिरक्षा और अनुवांशिक बीमारियों में यांत्रिक अंतर्दृष्टि प्राप्त करते हैं और संभावित उपचार ढूंढते हैं।²

ड्रग स्क्रीनिंग में आंतों के ऑर्गेनॉइड अनुप्रयोग

पारंपरिक 2डी सेल कल्चर और पशु मॉडल से विषाक्तता और अनिर्णायक परिणामों के कारण आंतों के रोगों के लिए नई उम्मीदवार दवा जांच चुनौतीपूर्ण है। 3dGRO™ ह्यूमन IPSC-व्युत्पन्न कोलन ऑर्गेनॉइड ड्रग साइटोटोक्सिसिटी परीक्षण के लिए एक उत्कृष्ट उपकरण हैं।

उदाहरण के लिए, मौखिक रूप से दी जाने वाली दवाओं के आंतों के अवशोषण गुणों का मूल्यांकन दवा की खोज में एक महत्वपूर्ण मानदंड है। Caco-2 कोशिकाओं के मोनोलेयर्स, एक परिवर्तित मानव कोलोरेक्टल कार्सिनोमा सेल लाइन, एक उम्मीदवार दवा की आंतों की पारगम्यता की भविष्यवाणी करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली आंतों की बाधा प्रणाली है। उनके कई फायदों के बावजूद, Caco-2 2D सेल कल्चर आंत में विविध प्रकार के सेल से रहित होते हैं और मूल आंतों के फिजियोलॉजी और लापता कोशिकाओं द्वारा उत्पादित ड्रग मेटाबोलाइट्स को पुन: उपयोग करने में विफल होते हैं। सेल और पूरे अंग स्तर पर कई दवा यौगिकों के साइटोटोक्सिसिटी परीक्षण के लिए मानव एपिथेलियल कोलन ऑर्गेनॉइड ने Caco-2 2D सेल कल्चर को बदल दिया है।³

शोधकर्ता आगे सिस्टिक फाइब्रोसिस जैसे आनुवंशिक विकारों के लिए दवाओं की खोज के लिए कोलन ऑर्गेनोइड्स का उपयोग करते हैं, जो फेफड़ों और आंतों सहित उपकला अस्तर वाले अंगों को प्रभावित करता है। सिस्टिक फाइब्रोसिस CF ट्रांसमेम्ब्रेन कंडक्शन रेगुलेटर में म्यूटेशन के कारण होता है (CFTR) जीन।⁴ CFTR प्रोटीन उपकला कोशिकाओं में आयनों के चैनल के रूप में कार्य करता है। यह नकारात्मक क्लोराइड आयनों को कोशिकाओं के अंदर और बाहर ले जाता है, जिससे ऊतकों में पानी की गति होती है, जो आंत के अस्तर को चिकनाई और सुरक्षा प्रदान करता है। सिस्टिक फाइब्रोसिस वाले रोगियों में, तरल पदार्थ और इलेक्ट्रोलाइट्स आंतों के माध्यम से असामान्य रूप से प्रवाहित होते हैं। जबकि सीएफटीआर फ़ंक्शन बहाली अभी भी सिस्टिक फाइब्रोसिस में सीमित है, कई सीएफटीआर-विशिष्ट दवा उम्मीदवार बेहतर लक्षण प्रबंधन का वादा करते हैं।

3dGRO™ ह्यूमन आईपीएससी-व्युत्पन्न कोलन ऑर्गेनॉइड एक प्रभावी फेनोटाइपिक ड्रग स्क्रीनिंग प्लेटफॉर्म प्रदान करता है, जो तेजी से और मात्रात्मक जल-अपटेक सूजन परख का उपयोग करके CFTR फ़ंक्शन की निगरानी करता है। शोधकर्ताओं ने आंतों के ऑर्गेनोइड्स में फोरस्कोलिन-एक सीएफटीआर एक्टिवेटर- के माध्यम से पानी की तेज गति को प्रेरित किया, जो इंट्रासेल्युलर सीएएमपी को बढ़ाता है। उन्नत सीएमपी स्तर सीएफटीआर फास्फारिलीकरण और चैनल खोलने, आयन और पानी के तेज गति को ट्रिगर करते हैं। जबकि वाइल्ड-टाइप 3dGRO™ मानव आंतों के ऑर्गेनोइड्स फोरस्किन लगाने के 2-3 घंटे के भीतर सूज जाते हैं, सिस्टिक फाइब्रोसिस रोगी-व्युत्पन्न आंतों के ऑर्गेनॉइड की मात्रा अपरिवर्तित रहती है। इन तुलनात्मक जांचों के साथ, शोधकर्ता उन दवाओं की जांच करते हैं जो रोगी ऑर्गेनोइड्स में सूजन को बढ़ाती हैं।⁵

इनसाइड आउट: ए न्यू इंटेस्टाइनल ऑर्गेनॉइड मॉडल

पारंपरिक पशु और 2डी सेल संस्कृति मॉडल के साथ ध्रुवीकृत स्राव और अवशोषण, प्रतिरक्षा प्रणाली प्रतिक्रियाओं और जटिल सेलुलर इंटरैक्शन जैसे मानव आंतों के कार्यों का अध्ययन करना मुश्किल है। आंतों के ऑर्गेनोइड विवो आर्किटेक्चर में आंतों को संरक्षित करते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को इन कार्यों का अध्ययन करने की अनुमति मिलती है। हालांकि, स्थापित आंतों के ऑर्गेनॉइड प्रोटोकॉल “एपिकल-इन” संस्कृतियों का उत्पादन करते हैं, जिससे आंत की आंतरिक सतह उच्च-थ्रूपुट इमेजिंग और ड्रग परख के लिए दुर्गम हो जाती है। आंत का शिखर पक्ष लुमेन का सामना करता है, जो कोशिकाओं को भोजन और रोगाणुओं सहित बाहरी वातावरण के घटकों के साथ बातचीत करने की अनुमति देता है। एक नव विकसित प्रोटोकॉल⁶ MilliporeSigma के 3dGRO™ ह्यूमन IPSC-व्युत्पन्न कोलन ऑर्गेनोइड्स पोलरिटी को उलट देता है, जिससे उन्हें “एपिकल-आउट” बना दिया जाता है, जो ल्यूमिनल एपिथेलियल कोशिकाओं और आंतों के कार्य को समझने में उनके अनुप्रयोग की सुविधा प्रदान करता है। 3dGRO™ ऑर्गेनॉइड के साथ नए प्रोटोकॉल का उपयोग करते हुए, शोधकर्ता मानव आंत में दवा की प्रतिक्रियाओं का अधिक सटीक अनुमान लगा सकते हैं।⁷

संदर्भ

1. जे किम एट अल।, “ह्यूमन ऑर्गेनोइड्स: ह्यूमन बायोलॉजी एंड मेडिसिन के लिए मॉडल सिस्टम,” नेट रेव मोल सेल बायोल21, 571-84, 2020।
2. “3डी ऑर्गेनॉइड कल्चर: न्यू कृत्रिम परिवेशीय विकास और रोग के मॉडल, https://www.sigmaaldrich.com/CA/en/technical-documents/technical-article/cell-culture-and-cell-culture-analysis/3d-cell-culture/3d-organoid-culture23 अक्टूबर, 2022 को एक्सेस किया गया।
3. के। सु एट अल।, “दवा यौगिकों की साइटोटोक्सिसिटी स्क्रीनिंग के लिए मानव आईपीएस सेल-व्युत्पन्न कोलन ऑर्गेनॉइड का उपयोग करना,” https://www.sigmaaldrich.com/CA/en/technical-documents/technical-article/cell-culture-and-cell-culture-analysis/3d-cell-culture/drug-screening-colon-organoids23 अक्टूबर, 2022 को एक्सेस किया गया।
4. “सिस्टिक फाइब्रोसिस,” https://www.hopkinsmedicine.org/health/conditions-and-diseases/cystic-fibrosis23 अक्टूबर, 2022 को एक्सेस किया गया।
5. “Forskolin प्रेरित सूजन परख,” https://www.sigmaaldrich.com/CA/en/technical-documents/protocol/cell-culture-and-cell-culture-analysis/cell-based-assays/forskolin-swelling-organoids23 अक्टूबर, 2022 को एक्सेस किया गया।
6. जे सह एट अल।, “उपकला जीव विज्ञान और संक्रामक रोगों की जांच करने के लिए मानव गैस्ट्रोइंटेस्टाइनल ऑर्गेनॉइड की ध्रुवीयता को नियंत्रित करना,” नेट प्रोटोक16, 5171-92, 2021।
7. एन। एस्ब्रोक एट अल।, “प्रोटोकॉल गाइड: जेनरेशन ऑफ एपिकल-आउट गैस्ट्रोइंटेस्टाइनल ऑर्गेनॉइड,” https://www.sigmaaldrich.com/CA/en/technical-documents/protocol/cell-culture-and-cell-culture-analysis/3d-cell-culture/apical-out-organoids23 अक्टूबर, 2022 को एक्सेस किया गया।