합성 배아가 할 수 있는 것과 할 수 없는 것, 현재와 미래

Magdalena Zernicka-Goetz는 캘리포니아 공과 대학의 Bren 교수이자 캠브리지 대학의 줄기 세포 생물학 및 개발 교수입니다.

이 인터뷰에서 우리는 줄기 세포를 사용하여 뇌가 있는 배아와 같은 구조를 만들고 접시에서 심장이 뛰는 것을 가능하게 하는 기술의 최근 발전에 대해 논의합니다. 우리는 이러한 '합성' 배아가 어떻게 만들어지고 수정란에서 자란 자연 배아와의 유사성의 한계를 탐구합니다. 그녀는 또한 임신이 실패하는 이유, 처음부터 장기를 만드는 방법, 노화된 신체를 젊어지게 하는 방법을 이해하는 데 어떻게 도움이 되는지 설명합니다. 그러나 먼저 그녀는 우리가 접시에서 이 배아 모델을 이전보다 더 오래 키울 수 있었던 핵심 통찰력을 밝혔습니다. 즉, 몸을 구성할 세포는 혼자서는 할 수 없다는 것입니다.

합성 배아란 무엇이며 무엇에 사용할 수 있습니까?

미래: 먼저 합성 배아가 무엇인지 설명해 주시겠습니까?

MAGDALENA ZERNICKA-GOETZ: 솔직히 말해서 저는 사실 그 용어를 별로 좋아하지 않습니다. 사람들이 궁금해 할 것이기 때문에 혼란 스럽습니다. 이것은 무엇으로 만들어 졌습니까? 

하지만 우리는 그것을 사용하기 때문에 바로 가기입니다 우리가 빌딩 블록에서 배아와 같은 구조를 합성했다고 말할 수 있습니다. 우리 연구실에서는 세 가지 유형의 빌딩 블록을 사용합니다. 하나의 빌딩 블록은 우리의 성인 신체를 구성할 모든 단일 유형의 세포에 대한 줄기 세포를 반영합니다. 배아줄기세포라고 합니다. 그리고 다른 두 빌딩 블록은 소위 배아외 구조를 위한 줄기 세포입니다. 그 중 하나가 유명합니다. 태반입니다. 이것은 아기를 아기가 먹일 어머니의 몸과 아기를 연결하는 것입니다. 이러한 배아외 구조 중 두 번째 구조는 덜 유명하지만 난황낭이라고 합니다. 그것은 배아가 자랄 자루의 일종입니다.

대체로 합성 배아 모델로 우리가 하고 싶은 일에는 어떤 것이 있습니까?

예를 들어, 우리는 이러한 모델이 발달의 일부 단계에 중요한 특정 유전자의 기능을 이해하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어 뇌와 눈 발달에 중요한 유전자가 있다는 것을 알고 있습니다. 그러나 우리는 처음부터 끝까지 전체 과정을 그렇게 정확하게 따를 수 없기 때문에 실제 마우스 배아 모델에서 그것이 어떻게 작동하는지 정확히 알지 못합니다. 이제 배아줄기세포를 사용할 수 있습니다. 배아줄기세포에서 그 유전자를 제거하고 이 유전자가 무엇을 위해 중요한지, 발달 단계에 대해 더 많이 알 수 있습니다. 당신은 또한 다른 시점에서 이러한 유전자를 제거하고 결과를 볼 수 있습니다. 

그것은 우리처럼 성장하고 발전할 수 없을 것이지만, 현재로서는 완전한 신비인 삶의 파편에 대한 중요한 통찰력을 줄 수 있습니다.

우리는 또한 특정 환경이나 특정 대사 산물의 역할을 살펴볼 수 있습니다. 예를 들어, 임산부는 신경 발달에 도움이 되는 엽산을 섭취하는 것이 좋습니다. 그러나 정확히 어느 단계에서 이것이 중요합니까? 이것이 실제로 무엇을합니까? 

이러한 모델이 동일한 초기 발달 단계를 시뮬레이션한다는 점을 감안할 때 왜 그렇게 많은 임신이 매우 일찍 끝나는지 더 잘 이해할 수 있는 기회가 있습니까? 

네 그럼요. 대부분의 임신은 자신이 임신한 줄도 모를 때 실패한다는 사실을 깨닫는 것이 매우 중요합니다. 개발의 처음 XNUMX주는 적시에 달성해야 하는 주요 이정표가 있기 때문에 매우 취약합니다. 

첫째, 우리는 제가 언급한 이 세 가지 조직을 위한 줄기 세포를 생산해야 합니다. 두 개의 배아 외 조직, 하나의 배아 조직입니다. 우리는 그것들을 올바른 방식으로 만들어야 하고, 그런 다음 그 조직들이 서로 상호작용해야 합니다. 그러나 시간도 중요합니다. 임신을 15개월까지 연장할 수 없습니다. 이는 특정 시점에 특정 이정표를 달성해야 함을 나타냅니다.

만 하나의 줄기 세포 유형은 실제로 신체를 구축하지만 다른 두 유형은 어머니와 아버지와 같이 인도하는 힘입니다.

따라서 이러한 발달 이정표가 올바르게 발생하지 않거나 지연되거나 너무 일찍 발생하면 배아가 유산됩니다. 또는 이 세 가지 유형의 세포 간의 통신이 어떻게든 비정상적이거나 전혀 발생하지 않을 때 다시 배아가 유산됩니다. 그래서 많은 임신이 실패합니다. 이제 이 모델을 통해 엄마의 몸 안에서 아기를 보호할 수 있는 방법을 살펴볼 수 있습니다. 그것이 희망이고 저에게 매우 중요한 동기입니다. 

저는 지금 우리가 합성 마우스 배아 모델에 대해 이야기하고 있다는 점을 강조하고 싶습니다. 그러나 분명히 이것은 인간 배아 XNUMX차원 모델을 구축하기 위한 일종의 프로토타입이지만 실제로는 인간 배아가 아닐 것입니다. 그것은 우리처럼 성장하고 발전할 수 없을 것이지만, 현재로서는 완전한 신비인 삶의 파편에 대한 중요한 통찰력을 줄 수 있습니다.

그렇다면 인간 합성 배아 모델 또는 체외 인간 배아 배양은 어디에 있습니까?

따라서 인간 배아 모델은 아직 존재하지 않습니다. 내가 아는 한 인간 줄기 세포로 만들어진 완전한 배아 같은 구조는 아직 없습니다. 우리가 줄기세포 유래 마우스 배아 모델을 만들기 시작했을 때 많은 사람들이 왜 인간 줄기 세포로는 하지 않는지 물었고 많은 동료들이 인간 줄기 세포를 사용하여 유사한 모델을 구축하려고 노력하고 있다고 확신합니다. 하지만 사소한 일이 아닙니다. 첫째, 인간줄기세포와 쥐줄기세포는 같은 방식으로 발달하지 않는다. 그들은 문화에서 유지되기 위해 다른 조건이 필요합니다. 우리가 그것을 어떻게 하는지 확실히 하기 위해, 마우스 모델은 프로토타입이 될 것입니다. 

그럼에도 불구하고 많은 사람들이 우리를 포함하여, 배양에서 인간 줄기 세포를 사용하여 XNUMX차원 조직 또는 배아 단편을 구축합니다. 예를 들어, 양수강(양수가 들어 있는 닫힌 주머니)이 어떻게 형성되는지 이해하는 데 사용합니다. 잘못되었을 때 개발을 수정할 수 있습니까?

그러나 그것은 자궁벽에 착상되는 초기 단계의 모델인 인간 배아의 단편일 뿐입니다. 현재로서는 이른바 14일차까지만 인간 배아를 배양할 수 있습니다. 우리가 통과할 수 없는 한계. 

실험실에서 배아와 유사한 구조 만들기

흥미롭네요. 그렇다면 어떻게 생쥐 합성배아를 만들 수 있을까요?

우리 실험실에서 이러한 합성 배아 모델을 구축하는 방식은 독특합니다. 우리는 배아가 자연 생활에서 어떻게 스스로를 형성하는지 이해함으로써 이 접근 방식을 개발했으며, 배아의 교훈을 사용하여 실험실에서 배양 접시에 있는 그 과정을 모방합니다. 

그래서 우리는 세 가지 유형의 줄기 세포를 사용합니다. 우리는 그것들을 적절한 비율로 조합하고 올바른 환경을 만들어 세 가지 유형의 세포와 그로부터 발생하는 세포가 행복하고 서로 소통하기를 원합니다. 

그것이 필수적인 것입니다. 일반적으로 발달은 세 가지 유형의 세포 간의 상호 작용을 통해 발생하기 때문에 하나가 아닌 세 가지 유형의 세포를 사용하는 것입니다. 뿐 하나의 줄기 세포 유형은 실제로 신체를 구축하지만 다른 두 유형은 어머니와 아버지와 같이 인도하는 힘입니다.

나는 그것을 전에 그런 식으로 묘사한 적이 없지만, 이 두 가지 다른 유형의 세포가 지침과 신호 정보를 제공하기 때문에 이렇게 생각할 수 있습니다. 그러나 그들은 또한 배아가 영양을 공급받을 수 있는 일종의 집을 짓습니다.

조금 되돌려보자. 이 분야는 지난 몇 년 동안 많은 발전을 이루었습니다. 이 배아 모델을 구축하는 과정에서 정말 중요한 랜드마크가 무엇인지 말씀해 주시겠습니까?

나는 잘 알려진 두 가지 사실을 말해야 한다. 첫째, 배아줄기세포는 배양 중에 유지되고 배양 중에 무한히 증식할 수 있다는 것입니다. 이것은 노벨상을 받은 마틴 에반스의 발견이었습니다. 우리는 그 세포들 중 몇 개를 취하여 배아와 함께 결합하면 성체 조직에 기여할 수 있다는 것을 알고 있었습니다.

그래서 우리는 줄기 세포가 이러한 마법의 잠재력을 가지고 있다는 것을 알았습니다. 그러나 우리가 알지 못했던, 그리고 약 10년 전에 획기적인 것은 우리가 숙주 배아 없이도 그 세포에서 배아를 만들 수 있는지 여부였습니다. 물론 갑작스러운 일이 아니라 차근차근 진행됐다. 그러나 우리가 그것을 하는 방법을 배운 방법은 먼저 배아가 그것을 하는 방법을 관찰하는 것이었습니다.

배아 착상 단계라고 하는 매우 초기의 발달 단계가 있으며, 특히 인간의 경우에는 잘 알려져 있지 않습니다. 이 단계 이전에 개발의 처음 며칠은 꽤 잘 진행되었습니다. 내가 말한 세 가지 유형의 세포는 처음 며칠 안에 발생합니다. 

[이러한] 모델은 우리가 배아 발생을 이해하는 데 중요할 뿐만 아니라 성인 장기를 구성하는 특정 조직의 기원을 이해하는 데에도 중요합니다. 우리는 충족되어야 하는 기본 규칙을 식별하려고 합니다.

이 세 가지 유형의 세포가 형성된 후 서로 대화하기 시작합니다. 그러나 이 시기가 착상이라는 과정에서 태아가 산모의 몸에 침입하는 시기이기 때문에 의사소통 방식은 ​​잘 알려지지 않았다. 우리는 이 과정을 시험관 내에서 모방할 수 없었기 때문에 관찰할 수 없었습니다. 그래서 우리의 첫 번째 단계는 그 단계를 통해 실제 배아, 마우스 및 인간을 배양하는 방법을 개발하는 것이 었습니다. 실험실에서.

이를 달성하자마자 우리는 세포를 추적하고 레이블을 지정하고 추적하여 세포가 증식하고 서로 상호 작용하는 시간을 식별할 수 있었습니다. 우리가 그 사건들을 따랐을 때 우리는 이제 우리가 세 조직을 나타내는 줄기 세포로 이러한 사건을 모방할 수 있을 만큼 충분히 알고 있다는 것을 깨달았습니다. 

그것은 여행이었고, 가장 중요한 첫 번째 이정표는 배아가 그것을 어떻게 하는지 알아내는 것이었습니다. 특히, 배아는 두 개의 배아외 조직으로부터 지시를 받는다는 것을 깨닫습니다. 지금까지, 우리는 배아 세포에 다른 배아 외 세포 조합을 추가하여 XNUMX가지 모델을 만들었습니다. 그만큼 첫 번째 모델 2014년에 출판되었고 마지막 모델은 방금 출판 됨.

이 다음 단계에 대해 알려주십시오. 배아가 얼마나 진행되고 배아에서 무엇을 볼 수 있는지와 관련하여 이 새로운 모델로 무엇을 얻었습니까? 그리고 수정란이 수정란과 비교하여 어떻게 생겼습니까?

마지막 모델은 이제 머리, 심장 및 체절(신체 축을 따라 분할)이 형성되는 순간까지 발전합니다. 이러한 배아와 같은 구조가 이러한 이정표를 달성하기에 충분히 좋은지 확신할 수 없었기 때문에 이것은 놀라운 일입니다. 뇌의 모든 조상이 거기에 있고 심장 구조가 혈액을 뛰고 펌프질합니다. 

초기 배아의 교훈은 또한 배아 조직이 어린 조직이기 때문에 조직을 젊어지게 하는 방법을 가르쳐 줄 수 있습니다.

그렇다면 그들은 자연 배아와 얼마나 유사합니까? 그것들은 매우 유사하지만 동일하지는 않습니다. 이것은 매우 흥미롭습니다. 그러면 특정 유형의 조직이나 장기를 완벽하게 만들기 위해 충족해야 하는 기본 원칙을 이해하기 위해 거의 동일한 모델과 그렇지 않은 모델의 개발을 추적할 수 있기 때문입니다.

그렇기 때문에 이러한 모델은 배아 발생을 이해하는 데 중요할 뿐만 아니라 성인 장기를 구성하는 특정 조직의 기원을 이해하는 데에도 중요합니다. 우리는 이러한 이벤트가 제대로 수행되기 위해 충족되어야 하는 기본 규칙을 식별하려고 합니다. 무슨 일이 일어나고 있는지 알아내기 시작할 수 있고, 배아가 스스로 자라도록 하기 때문에 그 과정의 메커니즘과 그들이 잘못될 때를 알아낼 수 있습니다.

합성 배아가 이어질 수 있는 곳

개인적으로 이 모델로 무엇을 하고 싶은지 좀 더 말씀해 주십시오. 해결하고 싶은 특정 질문이나 과제가 있습니까?

저의 주요 관심사는 두 가지입니다. 첫 번째는 생명이 어떻게 만들어졌는지 이해하는 것입니다. 그래서 저는 이 모델을 사용하여 세포가 처음으로 서로 통신하여 우리처럼 복잡한 것을 만드는 이 신비한 삶의 단계를 실제로 이해하려고 노력합니다. 그러나 이것은 또한 대부분의 임신이 실패하는 시기이기도 합니다. 우리가 이것을 이해할 수 있다면, 우리는 미래에 그러한 실패를 예방하는 데 도움을 줄 수 있을 것입니다. 이것이 우리의 희망입니다.

집을 짓는 것과 조금 비슷하지 않나요? 스스로를 정리하기 위해 빌딩 블록에 의존하지 않습니다.

초기 배아의 교훈은 또한 배아 조직이 어린 조직이기 때문에 조직을 젊어지게 하는 방법을 가르쳐 줄 수 있습니다. 그래서 그것은 우리에게 장기를 만들고 조직을 만드는 방법을 가르쳐줍니다. 바라건대 이들로부터 지식 연구는 단계별로 실패할 경우 성인 신체의 장기 이식 또는 장기 복구에 사용될 것입니다.

이러한 모델의 개발 및 사용을 가로막는 기술적 또는 과학적 이해의 기존 장애물이 있습니까?

네, 주로 배아와 같은 구조를 만드는 기술이 있습니다. 이 세 가지 유형의 줄기 세포를 결합할 때 우리는 적절한 배아를 만들기 위해 그들 사이의 힘에 의존합니다. 잘 될 때도 있고 잘 안될 때도 있습니다. 우리는 이러한 구조의 가변성을 봅니다. 따라서 이러한 이벤트를 더 잘 제어할 수 있는 도구를 개발해야 합니다. 

예를 들어, 제가 현재 참석하고 있는 이 컨퍼런스에서 저는 동료와 광유전학에 대해 토론하는 데 시간을 보냈습니다. 빛을 사용하여 그는 세포의 특정 반응을 자극할 수 있습니다. 따라서 이러한 광유전학적 접근 방식을 사용하여 자기 조직화 과정을 안내할 수 있습니까? 

어떤 방식으로 프로세스를 안내합니까?

특정 이벤트를 엔지니어링합니다. 예를 들어, 손상된 조직과 장기를 대체할 수 있는 조직과 장기를 만드는 것에 대해 생각할 때 효율적으로 수행하려면 이를 어떻게 조작할 수 있는지 이해해야 합니다. 집을 짓는 것과 조금 비슷하지 않나요? 스스로를 정리하기 위해 빌딩 블록에 의존하지 않습니다. 또는 건물이 완벽하지 않으면 용납할 수 없습니다. 우리는 품질 관리를 제공하기 위해 구축 프로세스를 안내하고 싶습니다. 

그래서 우리는 아직 엔지니어나 건축가가 될 수 없습니다. 대신 우리는 배아가 스스로를 구축하고 이 과정을 이해하고 따르고 돕거나 교란할 수 있는 환경을 조성하려고 노력하고 있습니다. 그러나 우리는 아직 조직 공학의 과정에 있지 않습니다. 조직 공학은 매우 중요하며 장기 대체의 미래가 될 것입니다. 너무 많은 환자들이 간 이식이나 실패한 다른 장기를 기다리는데 이것은 정말 비극적입니다. 우리가 연구에서 얻은 지식을 사용하여 그 기관을 만들고 수리할 수 있다면 그것은 절대적으로 믿을 수 없을 것입니다. 우리가 하는 일과 많은 동료들이 하는 일, 즉 조직의 생명공학이라고 하는 일은 미래에 갈 곳입니다.

게시일: 30년 2022월 XNUMX일