Apa yang Bisa dan Tidak Bisa Dilakukan Embrio Sintetis, Sekarang dan di Masa Depan

Magdalena Zernicka-Goetz adalah Profesor Biologi dan Teknik Biologi Bren di Institut Teknologi California dan Profesor Biologi dan Pengembangan Sel Punca di Universitas Cambridge.

Dalam wawancara ini, kami membahas kemajuan terbaru dalam teknologi yang memungkinkan kami menggunakan sel punca untuk membuat struktur seperti embrio dengan otak dan bahkan jantung yang berdetak di piring. Kami mengeksplorasi bagaimana embrio 'sintetis' ini dibangun dan batas kesamaannya dengan embrio alami yang tumbuh dari telur yang dibuahi. Dia juga menjelaskan bagaimana mereka dapat membantu kita memahami mengapa kehamilan gagal, bagaimana membangun organ dari awal, dan bahkan bagaimana meremajakan tubuh yang menua. Tapi pertama-tama, dia mengungkapkan wawasan kunci yang memungkinkan kita menumbuhkan model embrio ini dalam cawan lebih lama dari sebelumnya: bahwa sel-sel yang akan membentuk tubuh tidak dapat melakukannya sendiri.

---

Apa itu embrio sintetik, dan kegunaannya untuk apa?

MASA DEPAN: Sebagai permulaan, dapatkah Anda menjelaskan apa itu embrio sintetis?

MAGDALENA ZERNICKA-GOETZ: Sebenarnya saya tidak terlalu suka istilah itu, jujur ​​saja. Ini membingungkan karena orang akan bertanya-tanya, ini terbuat dari apa? 

Tapi kami menggunakannya karena itu jalan pintas untuk mengatakan bahwa kami telah mensintesis struktur seperti embrio dari blok bangunan. Di lab kami, kami menggunakan tiga jenis blok bangunan. Satu blok bangunan mencerminkan sel induk untuk setiap jenis sel yang akan membangun tubuh dewasa kita. Ini disebut sel induk embrionik. Dan dua blok bangunan lainnya adalah sel induk untuk apa yang disebut struktur ekstraembrionik. Salah satunya yang terkenal adalah plasentanya. Ini adalah salah satu yang menghubungkan bayi dengan tubuh ibu melalui mana bayi akan diberi makan. Yang kedua dari struktur ekstraembrionik ini kurang terkenal, tetapi disebut kantung kuning telur. Itu semacam karung di mana embrio akan tumbuh.

Secara umum, apa saja hal yang mungkin ingin kita lakukan dengan model embrio sintetis?

Jadi, misalnya, kami telah menunjukkan bahwa model ini dapat digunakan untuk memahami fungsi gen spesifik yang penting untuk beberapa tahap perkembangan. Kita tahu, misalnya, ada gen yang penting untuk perkembangan otak dan mata. Tapi kami tidak tahu persis bagaimana fungsinya dari model embrio tikus asli, karena kami tidak dapat mengikuti seluruh proses dari awal hingga akhir dengan begitu tepat. Jadi sekarang Anda dapat menggunakan sel induk embrionik, di mana Anda dapat menghilangkan gen itu dan mengetahui lebih lanjut tentang tahap perkembangan gen ini penting dan untuk apa. Anda juga dapat menghilangkan gen ini pada titik waktu yang berbeda dan melihat konsekuensinya. 

Ia tidak akan dapat tumbuh dan berkembang seperti yang kita lakukan, tetapi ia dapat memberi kita wawasan penting tentang kepingan-kepingan kehidupan yang saat ini merupakan misteri total.

Kita juga dapat melihat peran lingkungan tertentu atau metabolit tertentu. Misalnya, wanita hamil disarankan untuk mengonsumsi asam folat karena membantu perkembangan saraf. Tetapi pada tahap mana tepatnya itu penting, apa yang sebenarnya dilakukan ini? 

Apakah ada kesempatan untuk lebih memahami mengapa begitu banyak kehamilan berakhir sangat awal, mengingat model ini mensimulasikan tahap perkembangan awal yang sama? 

Ya, tentu saja. Sangat penting untuk menyadari bahwa sebagian besar kehamilan gagal pada saat kita bahkan tidak tahu bahwa kita sedang hamil. Dua minggu pertama perkembangan sangat rapuh karena ada tonggak-tonggak utama yang harus dicapai pada waktu yang tepat. 

Pertama, kita harus memproduksi sel induk untuk tiga jaringan yang saya sebutkan, dua ekstraembrionik, satu embrio. Kita harus membuatnya dengan cara yang benar, dan kemudian jaringan itu harus berinteraksi satu sama lain. Tapi waktu juga penting. Anda tidak dapat memperpanjang kehamilan hingga, katakanlah, 15 bulan. Ini menunjukkan bahwa tonggak tertentu harus dicapai pada titik waktu tertentu.

Hanya satu jenis sel induk benar-benar membangun tubuh, tetapi dua lainnya adalah kekuatan pemandu, sedikit seperti ibu dan ayah.

Jadi, ketika tonggak perkembangan ini tidak terjadi dengan benar, atau tertunda, atau terjadi terlalu dini, embrio diaborsi. Atau ketika komunikasi antara ketiga jenis sel itu entah bagaimana tidak normal, atau tidak terjadi sama sekali, lagi-lagi embrio menjadi abortus. Itulah mengapa begitu banyak kehamilan yang gagal. Jadi sekarang, dengan model-model ini, kita dapat melihat bagaimana kita dapat melindungi bayi di dalam tubuh ibu. Itulah harapan dan motivasi yang sangat penting bagi saya. 

Saya ingin menekankan bahwa sekarang kita berbicara tentang model embrio tikus sintetis. Tapi jelas, ini adalah semacam prototipe untuk membangun model tiga dimensi embrio manusia tetapi itupun tidak akan benar-benar menjadi embrio manusia. Ia tidak akan dapat tumbuh dan berkembang seperti yang kita lakukan, tetapi ia dapat memberi kita wawasan penting tentang kepingan-kepingan kehidupan yang saat ini merupakan misteri total.

Jadi di mana kita dengan model embrio sintetik manusia atau bahkan membiakkan embrio manusia in vitro?

Jadi, model embrio manusia belum ada. Belum ada struktur seperti embrio utuh yang dibangun dari sel induk manusia, sepengetahuan saya. Ketika kami mulai membuat model embrio tikus yang diturunkan dari sel punca, banyak orang bertanya mengapa kami tidak melakukannya dengan sel punca manusia, dan saya yakin banyak rekan saya mencoba membuat model serupa menggunakan sel punca manusia. Tapi itu tidak sepele. Pertama, sel induk manusia dan sel induk tikus tidak berkembang dengan cara yang sama. Mereka membutuhkan kondisi yang berbeda untuk dipertahankan dalam budaya. Untuk benar-benar memastikan bahwa kita tahu bagaimana melakukannya, model mouse akan menjadi prototipe. 

Meskipun demikian, banyak orang, termasuk kita, menggunakan sel induk manusia dalam kultur untuk membangun jaringan tiga dimensi atau fragmen embrio. Kami menggunakannya untuk memahami, misalnya, bagaimana rongga ketuban (kantung tertutup yang berisi cairan ketuban), terbentuk. Apakah kita dapat memperbaiki perkembangannya ketika terjadi kesalahan?

Tapi itu hanya sebagian dari embrio manusia, model pada tahap awal implantasi di dinding rahim. Saat ini, kita hanya dapat membiakkan embrio manusia sampai apa yang disebut hari ke-14, ini adalah batas di mana kita tidak bisa lewat. 

Membuat struktur seperti embrio di lab

Itu menarik. Jadi, bagaimana Anda membuat embrio sintetis tikus?

Cara kami membuat model embrio sintetis ini di lab kami agak unik. Kami mengembangkan pendekatan ini melalui pemahaman bagaimana embrio membangun dirinya sendiri dalam kehidupan alami, dan kami menggunakan pelajaran dari embrio untuk meniru proses di lab dalam cawan petri. 

Jadi kami menggunakan tiga jenis sel punca. Kami mencoba untuk menempatkan mereka bersama-sama dalam proporsi yang tepat, menciptakan lingkungan yang tepat sehingga tiga jenis sel, dan sel-sel yang akan muncul dari mereka, senang dan ingin berkomunikasi satu sama lain. 

Itulah yang penting: menggunakan tiga jenis sel – bukan satu – karena perkembangan normal terjadi melalui interaksi antara tiga jenis sel. Hanya satu jenis sel induk benar-benar membangun tubuh, tetapi dua lainnya adalah kekuatan pemandu, sedikit seperti ibu dan ayah.

Saya belum pernah menggambarkannya seperti itu sebelumnya, tetapi Anda dapat memikirkannya seperti ini karena dua jenis sel lain ini memberikan instruksi dan informasi sinyal, tetapi mereka juga membangun semacam rumah bagi embrio untuk dipelihara.

Mari kita mundur sedikit. Bidang ini telah membuat banyak kemajuan dalam beberapa tahun terakhir. Bisakah Anda memberi tahu saya, apa tonggak penting yang benar-benar penting dalam hal membuat kemajuan dalam membangun model embrio ini?

Saya harus mengatakan dua fakta yang terkenal. Pertama, adalah bahwa sel punca embrionik dapat dipertahankan dalam kultur dan berkembang biak dalam kultur tanpa batas waktu. Ini adalah penemuan Martin Evans, yang mendapat Hadiah Nobel untuk itu. Kami tahu bahwa jika Anda mengambil beberapa dari sel-sel itu, dan menggabungkannya dengan embrio, mereka akan dapat berkontribusi pada jaringan dewasa.

Jadi kami tahu bahwa sel punca memiliki potensi ajaib ini. Namun yang tidak kami ketahui, dan merupakan terobosan sekitar 10 tahun yang lalu, adalah apakah kami dapat membangun embrio dari sel-sel itu secara eksklusif, tanpa embrio inang. Itu tidak seperti hal yang tiba-tiba, tentu saja, itu selangkah demi selangkah. Tetapi cara kami mempelajarinya adalah dengan terlebih dahulu mengamati bagaimana embrio melakukannya.

Ada tahap perkembangan yang sangat awal, yang disebut tahap implantasi embrio, yang hanya sedikit kita ketahui, khususnya bagi manusia. Beberapa hari pertama pengembangan sebelum tahap ini berhasil dengan baik. Tiga jenis sel yang saya bicarakan muncul dalam beberapa hari pertama ini. 

Model [ini] tidak hanya penting bagi kita untuk memahami embriogenesis, tetapi juga penting untuk memahami asal-usul jaringan tertentu yang membangun organ dewasa kita. Kami mencoba mengidentifikasi aturan dasar yang harus dipenuhi.

Setelah ketiga jenis sel ini terbentuk, mereka mulai berbicara satu sama lain. Namun cara mereka berkomunikasi tidak diketahui dengan pasti, karena pada saat inilah embrio menyerang tubuh ibu, selama proses yang disebut implantasi. Kami tidak dapat meniru proses ini secara in vitro, jadi kami tidak dapat mengamatinya. Jadi, langkah pertama kami adalah mengembangkan cara membiakkan embrio asli, tikus, dan manusia, melalui tahap itu di lab.

Segera setelah kami dapat mencapainya, kami dapat mengikuti sel, memberi label, dan melacaknya untuk mengidentifikasi waktu ketika mereka berkembang biak dan berinteraksi satu sama lain. Ketika kami mengikuti peristiwa itu, kami menyadari bahwa sekarang kami cukup tahu untuk dapat meniru peristiwa ini dengan sel punca yang mewakili tiga jaringan. 

Itu adalah perjalanan, dan tonggak pertama yang paling penting adalah mengetahui bagaimana embrio melakukannya. Secara khusus, menyadari bahwa embrio mengambil instruksi dari dua jaringan ekstraembrionik. Sejauh ini, kami telah membangun lima model dengan menambahkan kombinasi berbeda dari sel ekstraembrionik ke sel embrio. Itu model pertama diterbitkan pada tahun 2014, dan model terakhir adalah baru saja diterbitkan.

Ceritakan tentang langkah selanjutnya ini. Apa yang telah dicapai dengan model baru ini dalam hal seberapa jauh perkembangan embrio dan apa yang dapat Anda lihat di dalamnya? Dan, bagaimana mereka terlihat dibandingkan dengan telur yang dibuahi yang berkembang menjadi embrio?

Model terakhir sekarang berkembang sampai saat kepala, jantung dan somit (segmen sepanjang sumbu tubuh) terbentuk. Ini luar biasa, karena kami tidak yakin apakah struktur seperti embrio ini akan cukup baik untuk mencapai tonggak sejarah ini. Semua nenek moyang otak ada di sana, dan struktur jantung berdetak dan memompa darah. 

Pelajaran dari embrio awal juga dapat mengajarkan kita bagaimana meremajakan jaringan, karena jaringan embrio adalah jaringan muda.

Jadi seberapa mirip mereka dengan embrio alami? Mereka sangat mirip, tetapi tidak identik. Ini sangat menarik, karena dengan begitu Anda dapat mengikuti perkembangan model yang hampir identik dan yang tidak, untuk memahami prinsip dasar yang harus kita penuhi untuk membuat jenis jaringan atau organ tertentu menjadi sempurna.

Itu sebabnya model-model tersebut tidak hanya penting bagi kita untuk memahami embriogenesis, tetapi juga penting untuk memahami asal-usul jaringan tertentu yang membangun organ dewasa kita. Kami mencoba mengidentifikasi aturan dasar yang harus dipenuhi agar acara ini dapat diselesaikan dengan benar. Anda dapat mulai mencari tahu apa yang terjadi, dan karena Anda membiarkan embrio membangun dirinya sendiri, Anda dapat mengetahui mekanisme proses itu dan kapan mereka salah.

Di mana embrio sintetis mungkin mengarah

Ceritakan sedikit lebih banyak tentang apa yang secara pribadi ingin Anda lakukan dengan model-model ini. Apakah ada pertanyaan atau tantangan tertentu yang ingin Anda tangani?

Minat utama saya ada dua. Nomor satu adalah memahami bagaimana kehidupan diciptakan. Jadi, saya menggunakan model ini untuk mencoba benar-benar memahami fase kehidupan yang misterius ini ketika sel-sel berkomunikasi satu sama lain, untuk pertama kalinya, untuk membangun sesuatu yang serumit diri kita sendiri. Tetapi ini juga merupakan saat ketika sebagian besar kehamilan gagal. Jika kita dapat memahami hal ini, kita akan dapat, di masa depan, membantu mencegah kegagalan tersebut. Ini adalah harapan kami.

Ini sedikit seperti bagaimana membangun rumah, bukan? Anda tidak bergantung pada blok bangunan untuk memilah sendiri.

Pelajaran dari embrio awal juga dapat mengajarkan kita bagaimana meremajakan jaringan, karena jaringan embrio adalah jaringan muda. Jadi itu mengajarkan kita tentang membangun organ kita dan membangun jaringan. Semoga ilmu dari ini studi - langkah demi langkah - akan digunakan untuk transplantasi organ atau memperbaiki organ dalam tubuh dewasa kita, ketika gagal.

Apakah ada hambatan yang ada, baik teknis atau dalam pemahaman ilmiah kita, yang menghambat pengembangan dan penggunaan model-model ini?

Ya, ada, terutama seputar teknologi pembuatan struktur seperti embrio. Ketika kami menggabungkan ketiga jenis sel induk ini, kami mengandalkan kekuatan di antara mereka untuk menciptakan embrio yang tepat. Terkadang itu berjalan dengan baik, terkadang itu tidak berjalan dengan baik. Kami melihat variabilitas struktur ini. Jadi, kita harus mengembangkan alat untuk mengontrol peristiwa ini dengan lebih baik. 

Misalnya, pada konferensi yang saat ini saya hadiri, saya menghabiskan waktu mendiskusikan optogenetika dengan seorang rekan. Menggunakan cahaya, ia dapat merangsang respons tertentu dari sel. Jadi, dapatkah kita menggunakan pendekatan optogenetik ini untuk membantu kita memandu proses pengorganisasian diri? 

Untuk memandu proses dengan cara apa?

Untuk merekayasa acara tertentu. Misalnya, ketika kita berpikir tentang membuat jaringan dan organ yang dapat menggantikan yang rusak, untuk melakukannya secara efisien kita perlu memahami bagaimana kita dapat merekayasanya. Ini sedikit seperti bagaimana membangun rumah, bukan? Anda tidak bergantung pada blok bangunan untuk memilah sendiri. Atau, jika sebuah bangunan kurang sempurna, itu tidak dapat diterima. Kami ingin memandu proses pembangunan untuk memberikan kontrol kualitas. 

Jadi, kita belum mampu menjadi insinyur atau arsitek. Kami malah mencoba menciptakan lingkungan bagi embrio untuk membangun dirinya sendiri dan memahami proses ini dan mengikutinya, dan membantunya atau mengganggunya. Tapi kami belum dalam proses rekayasa jaringan. Rekayasa jaringan sangat, sangat penting, dan itu akan menjadi masa depan penggantian organ. Begitu banyak pasien menunggu transplantasi hati, atau organ lain yang gagal, dan ini benar-benar tragis. Jika kita dapat membuat dan memperbaiki organ-organ itu dengan menggunakan pengetahuan yang berasal dari penelitian kita, itu akan sangat luar biasa. Apa yang kami lakukan dan apa yang dilakukan oleh banyak rekan saya—yang disebut bioteknologi jaringan—adalah ke mana arahnya di masa depan.

Diposting Agustus 30, 2022