Apa Itu Organoid?

Foto : Freepik

Sistem organoid merupakan perkembangan ilmiah modern yang memanfaatkan kultur sel tiga dimensi (3D) untuk memodelkan ciri-ciri penting seluruh organ. Kultur sel 3D yang berasal dari sel induk berpotensi majemuk ini  meniru struktur, fungsi, dan kompleksitas seluler organ manusia. Versi organ yang diperkecil secara in vitro ini sangat cocok untuk mempelajari struktur organ multiseluler yang kompleks, seperti otak, retina, ginjal, dan paru-paru, dan sekarang banyak digunakan untuk mempelajari perkembangan organ dan penyakit. 

Para peneliti sering menggunakan teknik kultur 3D yang umum untuk menghasilkan spheroids—kelompok sel bulat dari sel primer atau sel abadi yang populer digunakan dalam penelitian tumor.  Organoid mirip dengan struktur ini, hanya saja pembentukannya dimulai dengan sel induk spesifik jaringan yang berkumpul menjadi versi mikroskopis dari komponen organ yang berfungsi. 

Sel induk bersifat majemuk, artinya mereka memiliki kemampuan untuk berdiferensiasi menjadi semua jenis sel. Oleh karena itu, teknologi sel induk telah digunakan sebagai landasan sistem organoid. Organisasi seluler organoid yang tersusun sendiri merupakan hasil dari proses pemilahan sel dan komitmen garis keturunan sel prekursor yang dibatasi secara spasial.

Organoid yang terbentuk mampu memperbaharui diri sekaligus mengatur diri sendiri. Sistem organoid digunakan dalam pemodelan perkembangan manusia dan penyakit, dengan perkembangan bioteknologi terkini yang meningkatkan tingkat pengendalian eksperimental.

Organoid juga memiliki aplikasi potensial dalam pengobatan yang dipersonalisasi, dengan kultur yang dihasilkan memiliki kesamaan genetik dengan pasien.

Memodelkan perkembangan dan penyakit melalui organoid

Perkembangan dan penyakit manusia dapat dimodelkan melalui organoid karena mereka ditumbuhkan dari sel induk manusia atau sel induk berpotensi majemuk terinduksi yang dihasilkan dari sel dewasa. Mereka juga mirip dengan jaringan primer dalam hal komposisi dan struktur, dan mudah dimanipulasi dan kriopreservasi.

Artinya, organoid dapat menghasilkan sistem pemodelan yang mendekati fisiologis untuk mempelajari jaringan manusia yang berasal dari sel induk. Metode ini sangat cocok untuk analisis penyakit manusia yang sulit disimulasikan melalui model hewan.

Organoid hanya memerlukan sejumlah kecil bahan awal untuk menghasilkan spektrum jenis jaringan yang luas. Desain eksperimen juga menjadi lebih mudah karena garis keturunan spesifik jaringan dapat dikultur dengan kemurnian tinggi, sehingga dapat mengontrol jenis sel lainnya.

Bagaimana organoid dibuat?
Organoid memungkinkan peneliti mempelajari sel-sel yang melekat pada matriks dan mempelajari tentang perkembangan organ. Sebuah proses yang bisa memakan waktu bertahun-tahun dengan menggunakan organisme model hidup, kini hanya membutuhkan waktu berbulan-bulan dalam kultur organoid. Dikombinasikan dengan teknologi pengeditan genom CRISPR, para peneliti juga menggunakan kultur organoid untuk memodelkan penyakit genetik pada jaringan yang tidak dapat diperoleh, seperti otak. 

Para peneliti dapat menghasilkan banyak organoid dari tumor atau sel induk berpotensi majemuk terinduksi yang diturunkan dari pasien, menjadikannya model ideal untuk skrining obat dan terapi kanker yang dipersonalisasi. Protokol kultur organoid terus ditingkatkan, memberikan para peneliti kesempatan untuk fokus pada pengobatan baru dan tepat sasaran sambil menghindari risiko yang ditimbulkan pada manusia.

Organoid berasal dari diferensiasi terarah sel induk berpotensi majemuk manusia, sel induk dewasa spesifik jaringan. Karena organoid berasal dari populasi sel induk aktif, peneliti dapat memperluas kulturnya berulang kali seiring berjalannya waktu. Untuk membuat organoid, para ilmuwan menanamkan sel-sel berpotensi majemuk dalam matriks ekstraseluler seperti Matrigel, yang berfungsi untuk mendukung sel. Faktor pertumbuhan spesifik dan protein yang meniru lingkungan in vivo mempertahankan fenotip sel induk. Berdasarkan populasi sel induk awal dan faktor pertumbuhan yang dipilih untuk penelitian, sel yang tertanam dalam matriks akan berkumpul menjadi struktur organoid 3-D yang berperilaku mirip dengan jaringan tertentu.  

Para peneliti menghasilkan organoid menggunakan peralatan laboratorium standar dan kultur jaringan. 

Saat ini juga terdapat sejumlah sumber daya komersial yang menyediakan organoid kriopreservasi yang telah dihasilkan sebelumnya untuk dibeli.

Jenis organoid dan aplikasinya

Berikut ini beberapa jenis organoid dan aplikasinya. 

• Organoid otak

Otak adalah organ yang sangat kompleks dengan elemen-elemen yang unik pada manusia, sehingga menggunakan model hewan untuk mempelajari perkembangan otak tidaklah efektif. Para ilmuwan terutama menggunakan hPSC atau sel induk embrionik tikus bersama dengan faktor stimulasi saraf dalam protokol kultur sel 3-D. 

Protokol ini dirancang untuk mendorong diferensiasi sel menjadi organoid yang mewakili wilayah otak tertentu. Ketika organoid otak ini berkembang dan membentuk banyak lapisan jaringan, mereka dapat mewakili perkembangan sebenarnya otak manusia selama masa kehamilan. 

Metode penelitian terus ditingkatkan untuk mendorong perkembangan wilayah otak 3D lebih jauh di usia kehamilan, untuk menemukan mekanisme perkembangan otak yang belum diketahui.  

• Organoid paru

Paru-paru adalah jaringan kompleks lainnya yang sulit dipelajari. Dengan banyaknya jenis sel, struktur yang sangat tervaskularisasi, dan fungsi dalam pertukaran oksigen, percobaan in vitro 2-D masih terbatas dan penelitian in vivo memerlukan biaya yang mahal. 

Paru-paru juga unik dalam kemampuannya untuk beregenerasi setelah kerusakan. Oleh karena itu, peneliti dapat memperoleh organoid paru-paru dari sel induk dewasa. Hal ini memungkinkan untuk menghasilkan organoid paru-paru dari pasien dewasa dengan penyakit genetik atau lingkungan. Baru-baru ini, organoid paru-paru telah menjadi alat yang sangat berharga untuk mempelajari pengaruh SARS-CoV-2 terhadap fungsi dan perkembangan pernapasan.  

• Organoid lambung/usus

Saluran cerna mempunyai banyak fungsi dan terdiri dari beberapa lapisan kuman yang harus bekerja sama. Para peneliti menggunakan hPSC untuk mengembangkan organoid usus dan lambung pertama yang berisi berbagai jenis jaringan. 

Namun, sistem lambung terkait erat dengan sel-sel saraf dan kekebalan, sehingga banyak protokol yang kemampuannya relatif terbatas untuk merekapitulasi apa yang terjadi di dalam tubuh. 

Lambung dan usus juga memiliki mikrobioma nya sendiri, yang memengaruhi berbagai proses mulai dari respons imun hingga farmakokinetik. Para peneliti telah mengembangkan protokol yang mengkolaborasikan bakteri komensal usus dengan organoid, yang dapat memodelkan penyakit lambung dan memungkinkan para peneliti mempelajari pengaruh mikroba terhadap sel kanker. 

• Organoid kanker

Organoid kanker yang diturunkan dari pasien adalah alat yang sangat berharga untuk mempelajari kemajuan kanker serta desain dan implementasi terapi presisi. Model organoid kanker secara akurat memodelkan tumor pasien dan para ilmuwan menggunakannya untuk penelitian dasar dan pemeriksaan obat. Organoid yang dikembangkan dari tumor juga memiliki kemampuan yang mengejutkan untuk mempertahankan ciri genetik dan molekuler bahkan ketika disalurkan secara ekstensif.

Rekayasa organoid sel induk

Berbagai macam organoid telah diproduksi tetapi sebagian besar terbatas pada mewakili komponen jaringan tunggal atau parsial. Kemajuan dalam teknik bioteknologi sel induk meningkatkan kemampuan untuk mengontrol jenis sel, organisasi dan interaksi.

Rekayasa organoid memerlukan manipulasi setiap lapisan struktural dengan modifikasi langsung sel induk atau kontrol lingkungan mikro. Perkembangan teknologi saat ini di bidang nanoteknologi dan produksi biomaterial baru menjadikan upaya ini menjadi kenyataan.

Organoid dalam pengobatan yang dipersonalisasi

Organoid memiliki potensi terapeutik yang besar, karena biopsi pasien tunggal dapat membentuk model organoid dengan kesamaan genetik. Artinya, uji kemanjuran obat dapat disesuaikan dengan hasil sistem organoid yang berasal dari sel induk pasien.

Produksi organoid yang dikultur dengan cepat berarti bahwa pasien dapat diberikan perawatan yang paling sesuai dan khusus untuk mereka, tanpa harus melakukan percobaan dan kesalahan yang panjang melalui resep obat.

_________________________

Referensi

The Scientist (2022), Brush Up: What Are Organoids and How Are They Made?MA Lancaster, JA M.A. Lancaster, J.A. Knoblich, Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies, Science, 345(6194):1247125, 2014.

F. Hirschhaeuser et al., Multicellular tumor spheroids: an underestimated tool is catching up again, J Biotechnol, 148(1):3-15, 2010.

M. Huch, B.K. Koo, Modeling mouse and human development using organoid cultures, Development, 142(18):3113-25, 2015.

K. Kretzschmar, H. Clevers, Organoids: modeling development and the stem cell niche in a dish, Dev Cell, 38(6):590-600, 2016.

M.A. Lancaster, J.A. Knoblich, Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells, Nat Protoc, 9(10):2329-40, 2014.

J. Sidhaye, J.A. Knoblich, Brain organoids: an ensemble of bioassays to investigate human neurodevelopment and disease, Cell Death Differ, 28(1):52-67, 2021.

News Medical Life Sciences (2023), What are Organoids?

Simian, M. & Bissell, M.J. 2016. Organoids: A historical perspective of thinking in three dimensions, Journal of Cell Biology, 1, e201610056.

Lancaster, M. & Knoblich, J.A. 2014. Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science, 345, pp. 1247125.

Fatehullah, A. et al. 2016. Organoids as an in vitro model of human development and disease, Nature Cell Biology, 18, pp. 246-254.

Yin, X. et al. 2016. Stem Cell Organoid Engineering, Cell Stem Cell, 18, pp. 25-38.

Noordhoeck, J. et al. 2016. Intestinal organoids and personalized medicine in cystic fibrosis: a successful patient-oriented research collaboration, Current Opinion in Pulmonary Medicine, 22, pp. 610-616.