Mida saavad ja ei saa sünteetilised embrüod teha praegu ja tulevikus

Magdalena Zernicka-Goetz on California Tehnoloogiainstituudi Breni bioloogia ja bioloogiatehnika professor ning Cambridge'i ülikooli tüvirakkude bioloogia ja arenduse professor.

Selles intervjuus käsitleme hiljutisi edusamme tehnoloogiates, mis võimaldavad meil kasutada tüvirakke, et luua tassis aju ja isegi tuksuva südamega embrüotaolisi struktuure. Uurime, kuidas need "sünteetilised" embrüod on ehitatud ja millised on nende sarnasuse piirid viljastatud munadest kasvatatud looduslike embrüotega. Ta selgitab ka, kuidas need aitavad meil mõista, miks rasedus ebaõnnestub, kuidas elundeid nullist üles ehitada ja isegi vananevat keha noorendada. Kuid esmalt paljastab ta võtmeteabe, mis on võimaldanud meil neid embrüomadeleid tassis kasvatada kauem kui kunagi varem: et keha moodustavad rakud ei saa sellega üksi hakkama.

---

Mis on sünteetiline embrüo ja milleks seda saab kasutada?

TULEVIK: Kas saate alustuseks selgitada, mis on sünteetiline embrüo?

MAGDALENA ZERNICKA-GOETZ: Ausalt öeldes mulle see termin eriti ei meeldi. See on segane, sest inimesed mõtlevad, millest see tehtud on? 

Kuid me kasutame seda, sest see on otsetee öelda, et oleme ehitusplokkidest sünteesinud embrüotaolise struktuuri. Meie laboris kasutame kolme tüüpi ehitusplokke. Üks ehitusplokk peegeldab iga rakutüübi tüvirakku, mis meie täiskasvanud keha ehitab. Seda nimetatakse embrüonaalseteks tüvirakkudeks. Ja ülejäänud kaks ehitusplokki on nn ekstraembrüonaalsete struktuuride tüvirakud. Üks neist on kuulus, see on platsenta. See on see, mis ühendab last ema kehaga, mille kaudu last toidetakse. Teine neist ekstraembrüonaalsetest struktuuridest on vähem tuntud, kuid seda nimetatakse munakollaseks. See on omamoodi kott, milles embrüo kasvab.

Laias laastus, millised on mõned asjad, mida võiksime sünteetiliste embrüomudelitega teha?

Näiteks oleme näidanud, et neid mudeleid saab kasutada konkreetsete geenide funktsiooni mõistmiseks, mis on teatud arenguetappidel kriitilised. Teame näiteks, et on olemas geen, mis on oluline aju ja silmade arenguks. Kuid me ei tea päris hiireembrüo mudelite järgi täpselt, kuidas see toimib, sest me ei suuda kogu protsessi algusest lõpuni nii täpselt jälgida. Nüüd saate kasutada embrüonaalseid tüvirakke, milles saate selle geeni elimineerida ja rohkem teada saada, millises arengujärgus see geen on oluline ja milleks. Samuti saate need geenid erinevatel ajahetkedel kõrvaldada ja näha tagajärgi. 

See ei saa kasvada ja areneda nagu meie, kuid see võib anda meile olulise ülevaate elu killukest, mis on praegu täielik mõistatus.

Samuti võime vaadelda konkreetse keskkonna või teatud metaboliitide rolli. Näiteks soovitatakse rasedatel naistel võtta foolhapet, kuna see aitab kaasa närvisüsteemi arengule. Kuid millises etapis see täpselt on oluline, mida see tegelikult teeb? 

Kas on võimalik paremini mõista, miks nii paljud rasedused lõppevad väga varakult, kuna need mudelid simuleerivad samu varajasi arenguetappe? 

Jah, absoluutselt. On väga oluline mõista, et enamik rasedusi ebaõnnestub ajal, mil me isegi ei tea, et oleme rase. Esimesed kaks arendusnädalat on väga haprad, sest on olulisi verstaposte, mis tuleb õigel ajal saavutada. 

Esiteks peame tootma tüvirakke nende kolme koe jaoks, mida ma mainisin, kaks ekstraembrüonaalset ja üks embrüonaalne. Peame need õigel viisil looma ja siis peavad need kuded üksteisega suhtlema. Aga ka aeg loeb. Sa ei saa rasedust pikendada näiteks 15 kuuni. See näitab, et teatud ajahetkedel tuleb saavutada konkreetsed verstapostid.

Ainult üks tüvirakutüüp tõesti ehitab keha üles, aga teised kaks on suunavad jõud, natuke nagu ema ja isa.

Seega, kui need arengu verstapostid ei toimu õigesti või on hilinenud või ilmnevad liiga vara, embrüod katkestatakse. Või kui nende kolme tüüpi rakkude vaheline suhtlus on kuidagi ebanormaalne või ei toimu üldse, siis embrüod katkevad. Sellepärast nii paljud rasedused ebaõnnestuvad. Nüüd saame nende mudelite abil uurida, kuidas saaksime last ema kehas kaitsta. See on lootus ja see on minu jaoks väga oluline motivatsioon. 

Tahan siiski rõhutada, et praegu räägime sünteetilistest hiire embrüo mudelitest. Kuid ilmselgelt on see omamoodi prototüüp inimembrüo kolmemõõtmeliste mudelite ehitamiseks, kuid isegi siis poleks see tegelikult inimembrüo. See ei saa kasvada ja areneda nagu meie, kuid see võib anda meile olulise ülevaate elu killukest, mis on praegu täielik mõistatus.

Niisiis, kus me oleme inimese sünteetiliste embrüomudelite või isegi inimembrüote in vitro kultiveerimisega?

Niisiis, inimembrüo mudelid pole veel olemas. Minu teada pole veel tervet inimese tüvirakkudest üles ehitatud embrüotaolist struktuuri. Kui hakkasime looma tüvirakkudest pärinevaid hiire embrüo mudeleid, küsisid paljud inimesed, miks me ei tee seda inimese tüvirakkudega, ja olen kindel, et paljud mu kolleegid üritavad luua sarnast mudelit, kasutades inimese tüvirakke. Aga see pole triviaalne. Esiteks ei arene inimese tüvirakud ja hiire tüvirakud ühtemoodi. Nad vajavad kultuuris säilitamiseks erinevaid tingimusi. Et tõesti veenduda, kuidas seda teha, saab hiiremudelist prototüüp. 

Sellegipoolest on paljud inimesed, kaasa arvatud meie, kasutage kultuuris inimese tüvirakke, et ehitada kolmemõõtmelisi kudesid või embrüote fragmente. Nende abil mõistame näiteks lootevee (suletud kotike, mis sisaldab lootevett) moodustumist. Kas suudaksime selle arengut parandada, kui see valesti läheb?

Kuid see on vaid fragment inimese embrüost, mudel emakaseina implanteerimise varases staadiumis. Praegu saame inimembrüod kultiveerida ainult nn 14. päevani, see on piir, millest me ei saa mööda minna. 

Embrüotaoliste struktuuride loomine laboris

See on põnev. Niisiis, kuidas luua hiire sünteetilist embrüot?

See, kuidas me oma laboris neid sünteetilisi embrüomadeleid ehitame, on omamoodi ainulaadne. Töötasime välja selle lähenemisviisi, mõistsime, kuidas embrüo loob end loomulikus elus, ja kasutame embrüo õppetunde, et jäljendada seda protsessi Petri tassis laboris. 

Seega kasutame kolme tüüpi tüvirakke. Püüame need õiges vahekorras kokku panna, luua õige keskkonna, et kolme tüüpi rakud ja nendest tekkivad rakud oleksid õnnelikud ja sooviksid omavahel suhelda. 

See on oluline: kasutada kolme tüüpi rakke – mitte ühte –, sest tavaliselt toimub areng kolme tüüpi rakkude interaktsiooni kaudu. Ainult üks tüvirakutüüp tõesti ehitab keha üles, aga teised kaks on suunavad jõud, natuke nagu ema ja isa.

Ma pole seda kunagi varem nii kirjeldanud, kuid te võiksite sellele nii mõelda, sest need kaks teist tüüpi rakku annavad juhiseid ja signaaliteavet, kuid loovad ka omamoodi kodu embrüole, mida toita.

Kerime veidi tagasi. See valdkond on viimastel aastatel palju edasi arenenud. Kas saate mulle öelda, millised on tõeliselt olulised maamärgid selle embrüomudeli ehitamisel?

Pean ütlema kaks fakti, mis on hästi teada. Esiteks on see, et embrüonaalseid tüvirakke saab kultuuris säilitada ja kultuuris paljundada lõputult. See oli Martin Evansi avastus, kes sai selle eest Nobeli preemia. Teadsime, et kui võtate mõned neist rakkudest ja panete need kokku embrüoga, saavad nad panustada täiskasvanud kudedesse.

Seega teadsime, et tüvirakkudel on see maagiline potentsiaal. Kuid mida me ei teadnud ja mis oli läbimurre umbes 10 aastat tagasi, oli see, kas me suudame luua embrüoid ainult nendest rakkudest, ilma peremeesembrüota. See ei olnud muidugi äkiline, see toimus samm-sammult. Kuid viis, kuidas me seda tegema õppisime, oli esmalt jälgides, kuidas embrüo seda teeb.

On olemas väga varajane arenguetapp, mida nimetatakse embrüo siirdamise etapiks, millest me teame väga vähe, eriti inimeste puhul. Esimesed arenduspäevad enne seda etappi on üsna hästi välja töötatud. Kolm tüüpi rakke, millest ma rääkisin, tekivad nende esimeste päevade jooksul. 

[Need] mudelid ei ole meile olulised mitte ainult embrüogeneesi mõistmiseks, vaid ka meie täiskasvanud elundeid moodustavate teatud kudede tekke mõistmiseks. Püüame välja selgitada põhireeglid, mida tuleb täita.

Pärast nende kolme tüüpi rakkude moodustumist hakkavad nad omavahel rääkima. Kuid see, kuidas nad suhtlevad, polnud hästi teada, sest sel ajal tungib embrüo ema kehasse protsessi, mida nimetatakse implantatsiooniks. Me ei saanud seda protsessi in vitro jäljendada, seega ei saanud me seda jälgida. Niisiis, meie esimene samm oli välja töötada viis tõeliste embrüote, hiirte ja inimeste kultiveerimiseks selle etapi kaudu laboris.

Niipea kui suutsime selle saavutada, saime rakke jälgida, neid märgistada ja jälgida, et tuvastada nende paljunemise ja üksteisega suhtlemise aeg. Kui me neid sündmusi jälgisime, mõistsime, et nüüd teame piisavalt, et saaksime neid sündmusi jäljendada kolme kude esindavate tüvirakkudega. 

See oli teekond ja esimene, kõige olulisem verstapost oli välja selgitada, kuidas embrüo seda teeb. Eelkõige mõistmine, et embrüo võtab juhiseid kahelt embrüonaalselt koelt. Nii kaugel, oleme loonud viis mudelit, lisades embrüonaalsetele rakkudele erinevad embrüonaalsete rakkude kombinatsioonid. The esimene mudel ilmus 2014. aastal ja viimane mudel oli just avaldatud.

Rääkige mulle sellest järgmisest sammust. Mida on selle uue mudeliga saavutatud selles osas, kui kaugele embrüod arenevad ja mida nendes näha on? Ja kuidas nad näevad välja võrreldes viljastatud munaga, millest areneb embrüo?

Viimane mudel areneb nüüd hetkeni, mil moodustuvad pea, süda ja somiidid (segmendid piki keha telgesid). See on uskumatu, sest me polnud kindlad, kas need embrüotaolised struktuurid oleksid nende verstapostide saavutamiseks piisavalt head. Seal on kõik aju eellased ning südame struktuur lööb ja pumpab verd. 

Varajase embrüo õppetunnid võivad meile õpetada ka kudede noorendamist, sest embrüonaalsed koed on noored kuded.

Niisiis, kui sarnased nad on looduslike embrüotega? Need on väga sarnased, kuid mitte identsed. See on väga huvitav, sest siis saate jälgida peaaegu identsete ja mitte identsete mudelite arengut, et mõista põhiprintsiipe, mida peame täitma teatud tüüpi koe või organi täiuslikuks muutmiseks.

Sellepärast pole need mudelid meile olulised mitte ainult embrüogeneesi mõistmiseks, vaid ka meie täiskasvanud elundeid moodustavate teatud kudede tekke mõistmiseks. Püüame välja selgitada põhireeglid, mida tuleb nende sündmuste nõuetekohaseks läbiviimiseks täita. Võite hakata välja mõtlema, mis toimub, ja kuna lubate embrüol ise üles ehitada, saate välja töötada selle protsessi mehhanismid ja millal need valesti lähevad.

Kuhu sünteetilised embrüod võivad viia

Rääkige mulle veidi lähemalt, mida te isiklikult nende mudelitega teha soovite. Kas on konkreetseid küsimusi või väljakutseid, millega soovite tegeleda?

Minu peamised huvid on kahesugused. Number üks on mõista, kuidas elu luuakse. Niisiis, ma kasutan seda mudelit, et proovida tõeliselt mõista seda salapärast eluetappi, mil rakud suhtlevad üksteisega esimest korda, et ehitada midagi nii keerulist kui meie ise. Kuid see on ka aeg, mil enamik rasedusi ebaõnnestub. Kui me sellest aru saame, saaksime tulevikus aidata neid ebaõnnestumisi ära hoida. See on meie lootus.

See on natuke nagu maja ehitamine, eks? Te ei saa loota ehitusplokkidele, et end ise lahendada.

Varajase embrüo õppetunnid võivad meile õpetada ka kudede noorendamist, sest embrüonaalsed koed on noored kuded. Nii et see õpetab meile oma elundeid ja kudesid üles ehitama. Loodetavasti need teadmised samm-sammult uuringuid kasutatakse elundite siirdamiseks või elundite parandamiseks meie täiskasvanud kehas, kui need ebaõnnestuvad.

Kas nende mudelite väljatöötamist ja kasutamist pidurdavad olemasolevad teetõkked, kas tehnilised või meie teadusliku arusaama järgi?

Jah, neid on peamiselt embrüotaoliste struktuuride loomise tehnoloogia ümber. Kui paneme need kolm tüüpi tüvirakke kokku, toetume õige embrüo loomiseks nendevahelistele jõududele. Mõnikord läheb hästi, mõnikord ei lähe hästi. Näeme seda struktuuride varieeruvust. Seega peame välja töötama vahendid nende sündmuste paremaks kontrollimiseks. 

Näiteks sellel konverentsil, kus ma praegu osalen, arutasin kolleegiga optogeneetikat. Valgust kasutades saab ta stimuleerida raku teatud reaktsioone. Niisiis, kas me saame kasutada neid optogeneetilisi lähenemisviise, et aidata meil iseorganiseerumisprotsessi juhtida? 

Millisel viisil protsessi juhtida?

Konkreetsete sündmuste kavandamiseks. Näiteks kui mõtleme kahjustatud kudede ja elundite loomisele, peaksime selle tõhusaks tegemiseks mõistma, kuidas neid konstrueerida. See on natuke nagu maja ehitamine, eks? Te ei saa loota ehitusplokkidele, et end ise lahendada. Või kui hoone pole täiuslik, oleks see vastuvõetamatu. Soovime ehitusprotsessi juhtida, et tagada kvaliteedikontroll. 

Seega ei saa me veel olla insenerid ega arhitektid. Selle asemel püüame luua keskkonda, et embrüo saaks ennast üles ehitada, mõista seda protsessi ja järgida seda ning aidata või häirida. Kuid me ei ole veel koetehnoloogia protsessis. Koetehnoloogia on väga-väga oluline ja see on elundite asendamise tulevik. Nii paljud patsiendid ootavad maksasiirdamist või muid elundeid, mis ebaõnnestuvad, ja see on tõesti traagiline. Kui suudame oma õpingutest saadud teadmisi kasutades neid organeid luua ja parandada, on see täiesti uskumatu. See, mida me teeme ja mida paljud minu kolleegid teevad – niinimetatud kudede biotehnoloogia – on see, kuhu see tulevikus läheb.

Postitatud 30. augustil 2022