Die bisher fortschrittlichsten Embryonenmodelle ahmen die ersten zwei Wochen der menschlichen Entwicklung nach

Die bisher fortschrittlichsten Embryonenmodelle ahmen die ersten zwei Wochen der menschlichen Entwicklung nach

Zeitstempel: 12. September 2023, 3:00 Uhr
Die bisher fortschrittlichsten Embryonenmodelle ahmen die ersten zwei Wochen der menschlichen Entwicklung nach PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Vergessen Sie, dass Sperma auf Eizelle trifft.

Mithilfe menschlicher Stammzellen haben Wissenschaftler in Petrischalen menschliche embryonale Strukturen geschaffen. Diese im Labor gezüchteten Blobs entwickeln mehrere Strukturen, die einem menschlichen Embryo nach der Einnistung in die Gebärmutter ähneln – ein wichtiger Meilenstein für die Fruchtbarkeit – und halten mindestens 14 Tage.

Vor einem Jahrzehnt wäre die Herstellung embryonaler Strukturen oder Embryoide ohne Fortpflanzungszellen lächerlich erschienen. Doch während Wissenschaftler zunehmend den komplizierten molekularen Weg zur menschlichen Empfängnis entschlüsseln, wird es möglich, auf Spermien und Eizellen zu verzichten, um einen Blick in die „Black Box“ der frühen menschlichen Entwicklung zu werfen.

Es klingt immer noch wie ein Frankenstein-Experiment. Aber das Unterfangen ist keine makabre wissenschaftliche Neugier. Über die ersten Wochen der menschlichen Schwangerschaft, in denen die Entwicklung am häufigsten schief geht, ist nur sehr wenig bekannt. Die Untersuchung von Modellen, die diese frühen Stadien nachahmen – ohne die Kontroverse biologischer Proben – könnte Paaren helfen, die Schwierigkeiten haben, schwanger zu werden, und Licht auf die Geheimnisse verlorener früher Schwangerschaften werfen.

Eine neue Studie veröffentlicht in Natur von Embryoid-Veteran Dr. Jacob Hanna treibt nun den Zeitplan für die Laborschwangerschaft voran. Das Team verwandelte menschliche embryonale Stammzellen in Embryoide, die frühe menschliche Embryonen modellieren. Wie ihre biologischen Gegenstücke entwickelten die im Labor hergestellten Kleckse große „Gewebeschichten“, die die frühen Stadien der menschlichen Entwicklung definieren.

„Das Drama spielt sich im ersten Monat ab, die restlichen acht Monate der Schwangerschaft sind hauptsächlich starkes Wachstum.“ sagte Hanna. „Aber dieser erste Monat ist immer noch weitgehend eine Black Box. Unser aus Stammzellen gewonnenes menschliches Embryomodell bietet eine ethische und zugängliche Möglichkeit, in diese Schublade zu blicken.“

Rezept für ein Embryoid

Vor zwei Jahren veröffentlichte dasselbe Team ein Blockbuster-Ergebnis: Eizellen und Spermien sind nicht notwendig, um Leben zu entfachen, zumindest nicht bei Mäusen. Unter Verwendung von Mausstammzellen entdeckte das Team eine chemische Suppe, die die Zellen in einer Petrischale zu embryoähnlichen Strukturen bewegen konnte.

„Der Embryo ist die beste Organherstellungsmaschine und der beste 3D-Biodrucker – wir haben versucht, seine Funktionsweise nachzuahmen.“ sagte Hanna damals.

Die Idee scheint relativ einfach: Alle embryonalen Zellen haben das Potenzial, sich in jeden anderen Zelltyp zu verwandeln. Aber diese Zellen sind auch sehr sozial. Abhängig von ihrer Umgebung – zum Beispiel davon, welche chemischen oder hormonellen Signale sie erhalten – organisieren sie sich selbst zu Geweben.

Die Kultivierung von Embryoiden basiert auf zwei Fortschritten, die beide aus dem Hanna-Labor stammen.

Man versetzt revertierte Stammzellen in einen völlig naiven Zustand – eine tabula rasa, die jede Identität auslöscht. Wir stellen uns Stammzellen oft als eine einheitliche Ansammlung vor, tatsächlich befinden sie sich jedoch in einem Entwicklungsspektrum. Jeder Schritt vorwärts lenkt die Entwicklung der Zelle in Richtung eines bestimmten Zelltyps oder Organs. Eine naive Stammzelle hat jedoch das Potenzial, in jeden Körperteil hineinzuwachsen.

Ein völliger Neustart zu naiven Stammzellen erleichtert die Integration von Stammzellen in ihre Wirte – unabhängig davon, ob es sich um Menschen handelt oder Mäuse.

Ein weiterer Fortschritt ist ein elektronisch gesteuertes Gerät, das die Embryoiden in Wellen von Nährstoffen badet. Wie ein Herzschrittmacher simuliert die Pumpe, wie Nährstoffe über Embryonen in der Gebärmutter gespült werden, während sie gleichzeitig den Sauerstoffgehalt und den Luftdruck kontrolliert.

In einer Proof-of-Concept-Studie, ein kleiner Teil der Zellen von Mäusen, die sich zu embryoähnlichen Strukturen formten. Sie entwickelten sich bis etwa zur Hälfte ihrer normalen Schwangerschaft ähnlich wie ihre natürlichen Artgenossen. Nach acht Tagen hatten die Embryoiden ein schlagendes Herz, Blutzellen in ihrem Kreislauf, ein Minigehirn mit seinen klassischen Falten und einen Verdauungstrakt.

„Wenn man einem Embryo die richtigen Bedingungen gibt, funktioniert sein genetischer Code wie eine vorgefertigte Reihe von Dominosteinen, die so angeordnet sind, dass sie nacheinander fallen.“ sagte Hanna in einem früheren Interview. „Unser Ziel war es, diese Bedingungen wiederherzustellen, und jetzt können wir in Echtzeit zusehen, wie jeder Dominostein den nächsten in der Reihe trifft.“

Fast menschlich

Mäuse sind keine Menschen. Hanna ist sich dessen bewusst und die neue Studie überbrückt die Kluft.

Der erste Schritt? Bereiten Sie eine menschliche Stammzelle vor, indem Sie sie in einen naiven Zustand zurückversetzen.

Mit diesem Rohmaterial verlieh das Team den Zellen als nächstes verschiedene Identitäten, sogenannte Abstammungslinien. Einige davon entwickeln sich zu Zellen, aus denen schließlich der Embryo besteht. Andere verwandeln sich in Stützzellen, etwa solche, die die Plazenta bilden oder den Dottersack bilden – einen kleinen, runden Multitasker das die Gesundheit des sich entwickelnden Embryos unterstützt.

Mit anderen Worten: Der sich früh entwickelnde menschliche Embryo ist ein komplexes Ökosystem. Daher ist es kein Wunder, dass es den Embryoidenmachern lange Zeit entgangen ist, naive Stammzellen zu mehreren Rollen zu überreden. Doch jede einzelne Abstammungslinie wird unverzichtbar, nachdem ein wichtiger Schritt in der frühen menschlichen Entwicklung, die Implantation, stattgefunden hat. Wenn sich ein befruchteter Embryo an der Gebärmutterwand festsetzt, löst dies eine Vielzahl von Veränderungen aus, die für die weitere Entwicklung unerlässlich sind. Es kommt auch häufig zum Verlust von Embryonen.

Die neue Studie konzentriert sich auf die Phase nach der Implantation und nutzt das bisherige Protokoll des Teams für Mausembryoide, um selbstorganisierende menschliche Embryoide zu erzeugen. Überraschenderweise war es einfacher.

Sie mussten Mausstammzellen gentechnisch verändern, um sie in verschiedene Abstammungslinien zu bringen, sagt das Team. Bei menschlichen Zellen haben sie lediglich das Nährstoffbad angepasst – es waren keine zusätzlichen Gene erforderlich –, um genetische Programme in Stammzellen zu aktivieren und sie in alle drei Arten von Stützgewebe zu verwandeln.

Als die Embryoide heranreiften, nutzte das Team eine Reihe molekularer und genetischer Werkzeuge, um ihre Wiedergabetreue zu untersuchen. Insgesamt ähnelten die Strukturen der 3D-Architektur natürlich entwickelter menschlicher Embryonen zwischen 7 und 14 Tagen nach der Befruchtung. Einige Zellen pumpten sogar menschliches Choriongonadotropin (hCG) aus, ein Hormon, das für Schwangerschaftstests zu Hause verwendet wird. Das Auftupfen der Zellsekrete auf das Stäbchen ergab das doppellinienförmige positive Ergebnis.

Insgesamt zeigten die Embryoide wichtige Entwicklungsmerkmale eines früh implantierten Embryos, sagte das Team, ohne dass eine Befruchtung oder Interaktionen mit der Gebärmutter der Mutter erforderlich waren.

[Eingebetteten Inhalt]

Embryoid-Rasse

Hannas Team ist nicht das Einzige, das Embryoide vorantreibt.

Im Juni dieses Jahres XNUMX andere Mannschaften manipulierte Embryoide, die menschliche Embryonen nach der Implantation nachahmen. Die Rezepte und Zutaten sind anders als bei Hanna. In einer Studie wurden beispielsweise eine Vielzahl leistungsstarker genetischer Faktoren eingesetzt, die Stammzellen dazu brachten, Stützgewebe zu werden.

Wissenschaftler sind sich nicht ganz einig darüber, welche Embryoide ihrem natürlichen Gegenstück am ähnlichsten sind. In einem Punkt sind sie sich jedoch einig: Stammzellen haben unter den richtigen Bedingungen die unglaubliche Fähigkeit, sich selbst zu immer komplexeren embryoähnlichen Strukturen zu organisieren.

Derzeit wird das 14-Tage-Embryoid als „das“ angepriesen.am weitesten fortgeschritten" noch.

Vierzehn Tage sind in vielen Ländern eine strenge Frist für die Forschung an natürlichen menschlichen Embryonen, da diese nicht im Labor weiter kultiviert werden können. Embryoide erfüllen jedoch nicht die Definition eines Embryos und unterliegen nicht der 14-Tage-Beschränkung. Mit anderen Worten: Menschliche Embryoide könnten im weiteren Verlauf der Entwicklung kultiviert werden. Frühere Arbeiten zeigen, dass dies bei Mäusen technisch möglich ist, wobei Stammzellen halbfunktionsfähige Organe entwickeln.

Wenn Ihnen etwas unheimlich wird – Sie sind nicht allein. Embryoide wachsen in einem Wettrüsten, um die Black Box der frühen menschlichen Entwicklung zu öffnen, zu immer späteren Stadien heran. Derzeit müssen Embryoide, die aus menschlichen embryonalen Stammzellen gezüchtet werden, die geltenden Vorschriften einhalten. Allerdings unterliegen solche, die aus induzierten Stammzellen hergestellt werden – oft unter Verwendung von Hautzellen, die in einen stammzellähnlichen Zustand zurückversetzt werden – keinen Regeln.

Um es klar zu sagen: Embryoide haben nicht die Fähigkeit, sich vollständig zu Menschen zu entwickeln. Allerdings a aktuellen Studie an Affen zeigten, dass sie eine Schwangerschaft auslösen können, wenn sie in die Gebärmutter transplantiert werden – obwohl in diesem Fall das Embryoid schnell und auf natürliche Weise terminiert wurde. Es wird weiterhin darüber debattiert, ob und wie diese Zellklumpen reguliert werden können.

Derzeit konzentriert sich Hannas Team auf die Überarbeitung ihres Rezepts, um die Effizienz zu steigern. Als langfristiges Ziel hoffen sie jedoch, das Embryoid noch weiter voranzutreiben, um zu sehen, ob sie rudimentäre Organe entwickeln können. Diese Experimente „werden Einblicke in bisher unzugängliche Fenster der frühen menschlichen Entwicklung bieten“, sagen sie.

Bild-Kredit: Weizmann Institute of Science

Zeitstempel:

Mehr von Singularity Hub