De mest avancerede embryomodeller efterligner de første to ugers menneskelig udvikling

De mest avancerede embryomodeller efterligner de første to ugers menneskelig udvikling

Tidsstempel: 12. september 2023 kl. 3
The Most Advanced Embryo Models Yet Mimic the First Two Weeks of Human Development PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Glem sperm møder æg.

Ved hjælp af menneskelige stamceller har videnskabsmænd skabt menneskelige embryo-lignende strukturer inde i petriskåle. Disse laboratoriedyrkede klatter udvikler flere strukturer, der efterligner et menneskeligt embryo efter implantation i livmoderen - en vigtig milepæl for fertilitet - og varer mindst 14 dage.

For et årti siden ville fremstilling af embryo-lignende strukturer eller embryoider uden reproduktive celler have virket latterligt. Men efterhånden som videnskabsmænd i stigende grad kortlægger den indviklede molekylære rejse mod menneskelig undfangelse, bliver det muligt at gøre op med sæd og æg for at kigge ind i den "sorte boks" af tidlig menneskelig udvikling.

Det lyder stadig som et Frankenstein-eksperiment. Men bestræbelsen er ikke makaber videnskabelig nysgerrighed. Man ved meget lidt om de første par uger af menneskelig graviditet, hvor udviklingen oftest har en tendens til at gå skævt. At studere modeller, der efterligner disse tidlige stadier - uden kontroversen om biologiske prøver - kunne hjælpe par, der kæmper for at blive gravide og kaste lys over mysterierne om tabte tidlige graviditeter.

En ny undersøgelse offentliggjort i Natur fra embryoid-veteranen Dr. Jacob Hanna skubber nu tidslinjen for laboratoriets drægtighed fremad. Holdet forvandlede menneskelige embryonale stamceller til embryoider, der modellerer tidlige menneskelige embryoner. Ligesom deres biologiske modstykker udviklede de laboratoriebaserede klatter store "lag" af væv, der definerede de tidlige stadier af menneskelig udvikling.

"Dramaet er i den første måned, de resterende otte måneder af graviditeten er primært masser af vækst," sagde Hanna. "Men den første måned er stadig stort set en sort boks. Vores stamcelle-afledte menneskelige embryomodel tilbyder en etisk og tilgængelig måde at kigge ind i denne boks."

Opskrift på et embryoid

For to år siden udgav det samme hold et storslået resultat: Æg møder sæd er ikke nødvendigt for at tænde liv, i hvert fald hos mus. Ved hjælp af musestamceller opdagede holdet en kemisk suppe, der kunne skubbe cellerne ind i embryo-lignende strukturer inde i en petriskål.

"Embryonet er den bedste organfremstillingsmaskine og den bedste 3D-bioprinter - vi forsøgte at efterligne, hvad det gør," sagde Hanna dengang.

Ideen virker relativt simpel: alle embryonale celler har potentialet til at blive en hvilken som helst anden celletype. Men disse celler er også meget sociale. Afhængigt af deres miljø - for eksempel hvilke kemiske eller hormonelle signaler de modtager - organiserer de sig selv i væv.

Dyrkning af embryoider er afhængig af to fremskridt, begge fra Hanna-laboratoriet.

Man placerer vendte stamceller i en fuldstændig naiv tilstand - en tabula rasa, der udsletter enhver identitet. Vi tænker ofte på stamceller som en ensartet skare, men de er faktisk på et spektrum af udvikling. Hvert skridt frem guider cellens udvikling mod en bestemt celletype eller organ. Imidlertid har en naiv stamcelle potentialet til at vokse ind i enhver kropsdel.

Fuldstændig genstart til naive stamceller gør det lettere at integrere stamceller i deres værter – uanset om det er i mennesker eller mus.

Et andet fremskridt er en elektronisk styret enhed, der bader embryoiderne i bølger af næringsstoffer. Som en pacemaker simulerer pumpen, hvordan næringsstoffer skylles over embryoner i livmoderen, alt imens den kontrollerer iltniveauer og atmosfærisk tryk.

I en proof-of-concept undersøgelse, en lille del af celler fra mus dannet til embryo-lignende strukturer. De udviklede sig på samme måde som deres naturlige modstykker indtil omkring halvdelen af ​​deres normale drægtighed. Efter otte dage havde embryoiderne et bankende hjerte, blodceller i deres kredsløb, en minihjerne med dens klassiske folder og en fordøjelseskanal.

"Hvis du giver et embryo de rigtige betingelser, vil dets genetiske kode fungere som en forudindstillet linje af dominoer, arrangeret til at falde efter hinanden." sagde Hanna i et tidligere interview. "Vores mål var at genskabe disse forhold, og nu kan vi se i realtid, når hver domino slår den næste i rækken."

Næsten menneskelig

Mus er ikke mænd. Hanna ved det godt, og det nye studie bygger bro over kløften.

Det første skridt? Prime en menneskelig stamcelle ved at vende den tilbage til en naiv tilstand.

Med dette råmateriale i hånden gav holdet derefter cellerne forskellige identiteter, kaldet afstamninger. Nogle af disse udvikler sig til celler, der til sidst udgør embryonet. Andre bliver til støtteceller, såsom dem, der udgør moderkagen eller bygger blommesækken - en lille, afrundet multitasker der understøtter det udviklende embryos sundhed.

Med andre ord er det tidligt udviklede menneskelige embryo et komplekst økosystem. Så det er ikke underligt, at det at lokke naive stamceller til flere roller længe har undgået embryoidfremstillere. Alligevel bliver hver enkelt slægt uundværlig efter et stort skridt i den tidlige menneskelige udvikling, implantation, finder sted. Når et befrugtet embryo sætter sig fast på livmodervæggen, udløser det et utal af ændringer, der er afgørende for videre udvikling. Det er også, når embryotab ofte forekommer.

Den nye undersøgelse zoomer ind på post-implantationsstadiet og genbruger holdets tidligere museembryoidprotokol til at generere selvorganiserende menneskelige embryoider. Overraskende nok var det nemmere.

De var nødt til at gensplejse musestamceller for at skubbe dem mod forskellige afstamninger, siger holdet. Med menneskelige celler justerede de bare næringsbadet - ingen yderligere gener krævede - for at aktivere genetiske programmer i stamceller og omdanne dem til alle tre typer støttevæv.

Da embryoiderne modnedes, brugte holdet en række molekylære og genetiske værktøjer til at undersøge deres troskab. Samlet set lignede strukturerne 3D-arkitekturen af ​​naturligt udviklede menneskelige embryoner mellem 7 til 14 dage efter befrugtning. Nogle celler pumpede endda humant choriongonadotropin (hCG), et hormon, der bruges til hjemmegraviditetstests. At duppe cellernes sekreter på pinden gav det dobbelte streg positive resultat.

Samlet set viste embryoiderne vigtige udviklingsmæssige vartegn for et tidligt implanteret embryo, sagde holdet, uden behov for befrugtning eller interaktioner med en mors livmoder.

[Indlejret indhold]

Embryoid Race

Hannas hold er ikke det eneste, der skubber embryoider frem.

I juni i år, to andre hold konstruerede embryoider, der efterligner menneskelige embryoner efter implantation. Opskrifterne og ingredienserne er anderledes end Hannas. En undersøgelse indsatte for eksempel et væld af kraftfulde genetiske faktorer, der skubbede stamceller til at blive støttevæv.

Forskere er ikke helt enige om, hvilke embryoider der bedst ligner deres naturlige modstykke. De er dog enige om ét aspekt: ​​Stamceller har under de rette betingelser en utrolig evne til selv at organisere sig i stadig mere sofistikerede embryo-lignende strukturer.

For nu er 14-dages embryoid udråbt som "mest avancerede" endnu.

Fjorten dage er en streng grænse for forskning i naturlige menneskelige embryoner i mange lande, da de ikke kan dyrkes yderligere i laboratoriet. Embryoider opfylder dog ikke definitionen af ​​et embryo og er ikke underlagt 14-dages begrænsningen. Med andre ord kunne menneskelige embryoider dyrkes længere langs udviklingstidslinjen. Tidligere arbejde viser, at det er teknologisk muligt i mus, hvor stamceller udvikler semi-funktionelle organer.

Hvis du bliver en smule skræmt - du er ikke alene. Embryoider vokser ind i stadigt senere stadier i et våbenkapløb om at åbne den sorte boks af tidlig menneskelig udvikling. Indtil videre skal embryoider dyrket fra menneskelige embryonale stamceller respektere gældende regler. Men dem, der er lavet af inducerede stamceller - ofte ved hjælp af hudceller, der er vendt tilbage til en stamcelle-lignende tilstand - er ikke underlagt nogen regler.

For at være klar, har embryoider ikke kapaciteten til fuldt ud at udvikle sig til mennesker. Men en nylig undersøgelse hos aber viste, at de kan fremkalde graviditet, når de blev transplanteret ind i en livmoder - selvom embryoidet i det tilfælde blev afsluttet hurtigt og naturligt. Debatter om, hvorvidt og hvordan man regulerer disse cellulære klatter, er i gang.

For nu er Hannas team fokuseret på at revidere deres opskrift for at øge effektiviteten. Men som et langsigtet mål håber de at skubbe embryoiden endnu længere for at se, om de kan udvikle rudimentære organer. Disse eksperimenter "vil give indsigt i tidligere utilgængelige vinduer for tidlig menneskelig udvikling," siger de.

Billede Credit: Weizmann Institute of Science

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub