Metode kultur organoid 3D dapat menghasilkan sejumlah besar sel otot secara in vitro

Ahli biologi sel punca Harvard telah memelopori metode kultur organoid 3D yang inovatif untuk menghasilkan sejumlah besar sel satelit otot rangka dewasa, yang juga dikenal sebagai sel punca otot, secara in vitro.

Kemampuan untuk membuat fungsional secara efisien sel induk otot dengan cara ini diharapkan dapat mempercepat pemahaman dan pengobatan untuk gangguan otot rangka, termasuk yang berasal dari neuromuskular. Teknik baru ini, yang dijelaskan secara rinci dalam Bioteknologi Alamjuga menyediakan alat yang ampuh untuk mempelajari biologi otot.

“Orang-orang akan mampu melakukan semua percobaan pencangkokan dan regenerasi ini karena tiba-tiba, Anda memiliki jutaan sel,” kata rekan penulis dan ilmuwan peneliti Harvard Feodor Price. “Pergilah bermain dengan mereka, pelajari mereka, lihat gen dan jalur favorit Anda di laboratorium.”

Price bekerja sama dengan Lee Rubin, profesor di Departemen Sel Punca dan Biologi Regeneratif serta wakil ketua Program Penyakit Sistem Saraf Institut Sel Punca Harvard, untuk memelopori sel satelit turunan laboratorium yang sangat mirip dengan sel punca dewasa asli dan bertanggung jawab untuk pertumbuhan dan regenerasi otot rangka.

Pendekatan unik mereka mengatasi tantangan dalam mempertahankan kemampuan regenerasi sel satelit saat dikultur di luar tubuh dengan metode tradisional. “Begitu Anda mengeluarkannya dari tubuh, pada dasarnya mereka tidak lagi menjadi sel induk,” jelas Price.

Price menjelaskan bahwa ketika sel-sel satelit dikultur dengan tujuan meningkatkan jumlahnya, sel-sel tersebut berkembang biak dengan cepat tetapi kemudian secara spontan berdiferensiasi menjadi mioblas (sel progenitor otot), sehingga kehilangan kapasitas fungsional sel satelit aslinya. Hal ini menyebabkan perbaikan dan pemeliharaan otot yang tidak efektif ketika sel-sel tersebut ditransplantasikan kembali ke dalam tubuh.

Terobosan tim Harvard dalam mempertahankan kemampuan regeneratif sel satelit berasal dari penggunaan teknik kultur organoid 3D yang inovatif. Dengan menempatkan mioblas tikus ke dalam tabung pemutar, para peneliti dapat menghasilkan organoid yang mengandung serat otot yang terdiferensiasi dan populasi sel yang mengekspresikan penanda sel satelit utama Pax7.

Kehadiran faktor transkripsi penting ini dan organisasi struktur dalam organoid merupakan indikator keberhasilan metode mereka.

“Kami yakin bahwa kami telah berhasil menciptakan kembali ceruk sel satelit,” kata Price, “dan karena itu, kami mampu membujuk sel-sel dalam organoid itu untuk kembali berdiferensiasi ke keadaan sel satelit. Intinya, kami telah menciptakan sel-sel satelit secara in vitro, sebuah pencapaian signifikan yang sangat menjanjikan bagi bidang pengobatan regeneratif dan biologi otot.”

Karakterisasi in vitro dan in vivo yang ekstensif menunjukkan bahwa sel punca ini sangat mirip dengan sel satelit asli, termasuk ukurannya yang kecil, masa istirahatnya, dan pola ekspresi gen kunci serta tanda epigenetik. Namun, sel-sel ini tidak identik dengan sel asli. Analisis RNA dan DNA mengungkapkan bahwa sel yang dihasilkan di laboratorium memiliki profil transkripsi dan epigenetik antara sel satelit dan mioblas.

Namun, yang paling penting, ketika ditransplantasikan ke otot tikus, sel-sel tersebut mampu melekat, mengisi kembali ceruk sel induk, bertahan dalam jangka panjang, dan meregenerasi otot setelah cedera berulang—semua fungsi utama sel satelit asli.

Dalam satu percobaan, para peneliti menunjukkan bahwa transplantasi sel-sel baru, tetapi bukan mioblas, ke dalam otot tikus yang diradiasi tanpa sel-sel satelit endogen menghasilkan regenerasi otot dengan kekuatan kontraksi normal. Mioblas melakukan persis seperti yang diharapkan: tidak melakukan apa pun. Mereka tidak membuat otot.

Sebagai perbandingan, sel induk dan sel satelit menghasilkan otot yang layak. “Ketika kami membandingkan kemampuan mereka untuk berkontraksi, kami sangat senang melihat bahwa pada dasarnya gaya yang dihasilkan dari otot yang berkontraksi itu identik,” kata Price.

Ia menambahkan, “Bukan kemampuan sel untuk melakukan pencangkokan yang membuat saya sangat terkesan. Melainkan kemampuan mereka untuk mengisi kembali ceruk sel induk, karena jika mereka melakukan itu, mereka akan melakukan pencangkokan dan bertahan dalam jangka panjang.”

Para peneliti juga mampu menghasilkan sel-sel satelit dari mioblas manusia, termasuk lini sel komersial yang sangat terpasok. Hal ini memiliki implikasi penting bagi pengembangan terapi sel, karena bekerja dengan jaringan manusia itu sulit, dan sejumlah besar sel fungsional satelitSel sejenis sekarang dapat diproduksi secara in vitro.

Penelitian ini didukung oleh Blavatnik Biomedical Accelerator dan aliansi strategis antara Universitas Harvard dan National Resilience yang didirikan oleh Kantor Pengembangan Teknologi (OTD) Harvard untuk memajukan penelitian menuju peluang komersialisasi.

Berdasarkan kemajuan ini, tim peneliti meletakkan dasar untuk proyek kolaboratif dengan laboratorium Harvard lainnya untuk memodelkan seluruh sirkuit neuromuskular, dengan aplikasi potensial untuk kondisi seperti atrofi otot tulang belakangALS, dan distrofi otot facioscapulohumeral.

“Laboratorium kami telah menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk meneliti sisi 'saraf' dari penyakit neuromuskular,” kata Rubin. “Kami kini menantikan saat ketika kami dapat menghasilkan sirkuit baru yang membentang dari sumsum tulang belakang hingga otot yang sangat fungsional.”