Naukowcy z University of Cambridge stworzyli modelowe embriony z mysich komórek macierzystych, które tworzą mózg, bijące serce i fundamenty wszystkich innych narządów ciała – nową drogę do odtworzenia pierwszych etapów życia.
Zespół kierowany przez profesor Magdalenę Zernicką-Goetz opracował model zarodka bez jaj i plemników, a zamiast tego wykorzystał komórki macierzyste — komórki macierzyste organizmu, które mogą przekształcić się w niemal każdy typ komórki w organizmie.
Naukowcy naśladowali naturalne procesy w laboratorium, prowadząc trzy typy komórek macierzystych we wczesnym rozwoju ssaków do punktu, w którym zaczynają one wchodzić w interakcje. Indukując ekspresję określonego zestawu genów i tworząc unikalne środowisko dla ich interakcji, naukowcom udało się nakłonić komórki macierzyste do “porozumiewania się” ze sobą.
Komórki macierzyste samoorganizowały się w struktury, które przechodziły przez kolejne etapy rozwojowe, aż zaczęły bijące serca i podstawy mózgu, a także worek żółtkowy, w którym rozwija się zarodek i pobiera składniki odżywcze w pierwszych tygodniach. W przeciwieństwie do innych syntetycznych embrionów modele opracowane przez Cambridge osiągnęły punkt, w którym zaczął się rozwijać cały mózg, w tym przednia część. Jest to kolejny punkt w rozwoju, niż osiągnięto w jakimkolwiek innym modelu opartym na komórkach macierzystych.
Zespół twierdzi, że ich wyniki, wynik ponad dziesięciu lat badań, które stopniowo prowadziły do coraz bardziej złożonych struktur podobnych do embrionów, ogłoszone w czasopiśmie Nature, mogą pomóc naukowcom zrozumieć, dlaczego niektóre embriony zawodzą, podczas gdy inne rozwijają się w zdrowa ciąża. Ponadto wyniki mogą posłużyć do kierowania naprawą i rozwojem syntetycznych narządów ludzkich do przeszczepów.
„Nasz model embrionu myszy rozwija nie tylko mózg, ale także bijące serce, wszystkie składniki, z których składa się ciało” – powiedziała Zernicka-Goetz, profesor rozwoju ssaków i biologii komórek macierzystych na Wydziale Fizjologii w Cambridge. i neuronauki. „To po prostu niewiarygodne, że zaszliśmy tak daleko. To było marzeniem naszej społeczności od lat i głównym celem naszej pracy przez dekadę, aż w końcu to zrobiliśmy”.
Aby ludzki embrion mógł się pomyślnie rozwijać, musi istnieć „dialog” między tkankami, które staną się embrionem, a tkankami, które połączą embrion z matką. W pierwszym tygodniu po zapłodnieniu rozwijają się trzy typy komórek macierzystych: jedna w końcu stanie się tkanką organizmu, a dwa pozostałe wspomagają rozwój zarodka. Jeden z tych pozaembrionalnych typów komórek macierzystych stanie się łożyskiem, które łączy płód z matką i dostarcza tlen i składniki odżywcze; a drugi to woreczek żółtkowy, w którym zarodek rośnie i skąd pobiera składniki odżywcze we wczesnym okresie rozwoju.
Wiele ciąż kończy się niepowodzeniem w momencie, gdy trzy rodzaje komórek macierzystych zaczynają przesyłać sobie nawzajem sygnały mechaniczne i chemiczne, które informują embrion o prawidłowym rozwoju.
„W tym czasie tak wiele ciąż kończy się niepowodzeniem, zanim większość kobiet zdaje sobie sprawę, że jest w ciąży” – powiedziała Zernicka-Goetz, która jest również profesorem biologii i inżynierii biologicznej w Caltech. „Ten okres jest podstawą wszystkiego, co następuje w ciąży. Jeśli coś pójdzie nie tak, ciąża się nie powiedzie”.
W ciągu ostatniej dekady grupa prof. Zernickiej-Goetz z Cambridge badała te najwcześniejsze etapy ciąży, aby zrozumieć, dlaczego niektóre ciąże się nie udają, a inne odnoszą sukces.
„Model zarodka komórek macierzystych jest ważny, ponieważ zapewnia nam dostęp do rozwijającej się struktury na etapie, który zwykle jest przed nami ukryty z powodu wszczepienia maleńkiego zarodka do macicy matki” – powiedziała Zernicka-Goetz. „Ta dostępność pozwala nam manipulować genami, aby zrozumieć ich role rozwojowe w modelowym systemie eksperymentalnym”.
Aby pokierować rozwojem ich syntetycznego zarodka, naukowcy połączyli hodowane komórki macierzyste reprezentujące każdy z trzech typów tkanek w odpowiednich proporcjach i środowisku, aby promować ich wzrost i komunikację między sobą, ostatecznie samoorganizując się w zarodek.
Naukowcy odkryli, że komórki pozazarodkowe wysyłają sygnały do komórek embrionalnych za pomocą sygnałów chemicznych, ale także mechanistycznie lub poprzez dotyk, kierując rozwojem zarodka.
„Ten okres ludzkiego życia jest tak tajemniczy, aby móc zobaczyć, jak to się dzieje w naczyniu – mieć dostęp do tych pojedynczych komórek macierzystych, aby zrozumieć, dlaczego tak wiele ciąż kończy się niepowodzeniem i jak możemy temu zapobiec. happening – jest czymś wyjątkowym” – powiedziała Zernicka-Goetz. „Przyjrzeliśmy się dialogowi, który musi zachodzić między różnymi typami komórek macierzystych w tym czasie – pokazaliśmy, jak to się dzieje i jak może się nie udać”.
Dużym postępem w badaniach jest zdolność do generowania całego mózgu, w szczególności jego przedniej części, co było głównym celem w rozwoju syntetycznych embrionów. Działa to w układzie Zernickiej-Goetz, ponieważ ta część mózgu wymaga do rozwoju sygnałów z jednej z tkanek pozazarodkowych. Zespół pomyślał, że może to mieć miejsce na podstawie ich badań z 2018 i 2021 r., w których wykorzystano te same komórki składowe, aby rozwinąć się w embriony na nieco wcześniejszym etapie. Teraz, posuwając rozwój o jeden dzień dalej, mogą definitywnie powiedzieć, że ich model jako pierwszy sygnalizuje rozwój przedniego, a właściwie całego mózgu.
„To otwiera nowe możliwości badania mechanizmów neurorozwoju w modelu eksperymentalnym” – powiedziała Zernicka-Goetz. „W rzeczywistości udowadniamy tę zasadę w artykule, usuwając gen, o którym już wiadomo, że jest niezbędny do tworzenia cewy nerwowej, prekursora układu nerwowego oraz do rozwoju mózgu i oczu. W przypadku braku tego genu , syntetyczne embriony wykazują dokładnie znane defekty w rozwoju mózgu, jak u zwierzęcia niosącego tę mutację. Oznacza to, że możemy zacząć stosować tego rodzaju podejście do wielu genów o nieznanej funkcji w rozwoju mózgu”.
Chociaż obecne badania prowadzono na modelach mysich, naukowcy opracowują podobne modele ludzkie, które mogą być ukierunkowane na generowanie określonych typów narządów, aby zrozumieć mechanizmy stojące za kluczowymi procesami, których badanie na prawdziwych embrionach w innym przypadku byłoby niemożliwe. Obecnie prawo brytyjskie zezwala na badanie embrionów ludzkich w laboratorium tylko do 14 dnia rozwoju.
Jeśli metody opracowane przez zespół Zernickiej-Goetz okażą się skuteczne w przypadku ludzkich komórek macierzystych w przyszłości, można je również wykorzystać do kierowania rozwojem syntetycznych narządów dla pacjentów oczekujących na przeszczep. „Na całym świecie jest tak wielu ludzi, którzy latami czekają na przeszczepy narządów” – powiedziała Zernicka-Goetz. „To, co sprawia, że nasza praca jest tak ekscytująca, to fakt, że wiedza z niej wynikająca może zostać wykorzystana do wyhodowania prawidłowych syntetycznych narządów ludzkich, aby ratować życie, które obecnie jest tracone. jak są zrobione.
„To niesamowity krok naprzód i pochłonęło 10 lat ciężkiej pracy wielu członków mojego zespołu – nigdy nie sądziłem, że dotrzemy do tego miejsca. Nigdy nie myślisz, że twoje marzenia się spełnią, ale tak się stało”.