Wetenschappers uit de Weizmann Institute of Science hebben voor het eerst ooit gekweekte synthetische embryomodellen van muizen buiten de baarmoeder met behulp van stamcellen gekweekt in een petrischaal. Dit is een belangrijke doorbraak in de medische wetenschap.
Bovendien wordt het celkweekproces ook gedaan zonder bevruchte eieren, waardoor de behoefte aan sperma wordt omzeild.
Deze benadering zou in belangrijke mate de technologische en morele zorgen kunnen vermijden die gepaard gaan met het gebruik van natuurlijke embryo's in onderzoek en biotechnologie, wat het ongelooflijk belangrijk maakt. Zelfs met muizen zijn sommige tests momenteel onpraktisch omdat ze duizenden embryo's; de beschikbaarheid van modellen die zijn ontwikkeld op basis van embryonale muizencellen, die zich met miljoenen vermenigvuldigen in laboratoriumincubatoren, is echter bijna onbeperkt.
Prof. Jacob Hanna van de afdeling Moleculaire Genetica van Weizmann zei: “Het embryo is de beste machine voor het maken van organen en de beste 3D-bioprinter – we hebben geprobeerd te evenaren wat het doet. Wetenschappers weten al hoe ze rijpe cellen kunnen herstellen tot "stam" - pioniers van deze cellulaire herprogrammering hadden in 2012 een Nobelprijs gewonnen. Maar door in de tegenovergestelde richting te gaan, waardoor stamcellen differentiëren tot gespecialiseerde lichaamscellen, om nog maar te zwijgen van hele vormorganen, veel problematischer is gebleken.”
"Tot nu toe waren de gespecialiseerde cellen in de meeste onderzoeken vaak moeilijk te produceren of afwijkend, en ze hadden de neiging om een mengelmoes te vormen in plaats van goed gestructureerd weefsel dat geschikt was voor transplantatie. We zijn erin geslaagd om deze hindernissen te overwinnen door het zelforganisatiepotentieel te ontketenen dat is gecodeerd in de stamcellen. '
In maart 2021 kwamen wetenschappers met het elektronisch gestuurde apparaat waarmee natuurlijke muizenembryo's buiten de baarmoeder kunnen groeien. Wetenschappers gebruikten hetzelfde apparaat in het nieuwe experiment om muizenstamcellen meer dan een week te laten groeien - ongeveer de helft van de draagtijd voor een muis.
De wetenschappers verdeelden de stamcellen in drie groepen voordat ze in het apparaat werden geplaatst. In één daarvan werden de cellen die uiteindelijk zelf embryonale organen zouden worden, in hun huidige staat gelaten. Een van de twee soorten genen, de hoofdregulatoren van ofwel de placenta ofwel de dooierzak, werden tot overexpressie gebracht in de cellen in de andere twee groepen tijdens een voorbehandeling die slechts 48 uur duurde.
Hanna zei, "We hebben deze twee groepen cellen een tijdelijke duw gegeven om extra-embryonale weefsels te creëren die de zich ontwikkelend embryo. '
De drie celgroepen werden snel gecombineerd in het apparaat om aggregaten te vormen, waarvan de meeste geen volledige ontwikkeling doormaakten. 50 van de 10,000, of ongeveer 0.5 procent, ging echter door met het vormen van bollen, die zich later elk ontwikkelden tot een langwerpige, embryo-achtige structuur. De placenta en dooierzakken waren zichtbaar buiten de embryo's, en de ontwikkeling van het model verliep als in een natuurlijk embryo, aangezien de wetenschappers elke set cellen hadden gekleurd.
Deze synthetische modellen ontwikkelden zich normaal tot dag 8.5 - bijna de helft van de 20-daagse zwangerschap van de muis - in welk stadium alle vroege orgaanvoorlopers waren gevormd, waaronder een kloppend hart, bloedstamcelcirculatie en hersenen met goed gevormde plooien, een neurale buis en een darmkanaal. Vergeleken met natuurlijke muizenembryo's vertoonden de synthetische modellen een overeenkomst van 95 procent in zowel de vorm van interne structuren als de genexpressiepatronen van verschillende celtypen. De organen die in de modellen te zien waren, gaven alle aanwijzingen dat ze functioneel waren.
Hanna zei, "De studie presenteert een nieuwe arena: onze volgende uitdaging is begrijpen hoe stamcellen weten wat ze moeten doen - hoe ze zichzelf tot organen assembleren en hun weg vinden naar hun toegewezen plekken in een embryo. En omdat ons systeem, in tegenstelling tot een baarmoeder, transparant is, kan het nuttig zijn voor het modelleren van geboorte- en implantatiedefecten van menselijke embryo's.”
"In plaats van een ander protocol te ontwikkelen voor het kweken van elk celtype - bijvoorbeeld die van de nier of de lever - kunnen we op een dag misschien een synthetisch embryo-achtig model maken en vervolgens de cellen isoleren die we nodig hebben. We hoeven de opkomende organen niet voor te schrijven hoe ze zich moeten ontwikkelen. Dat doet het embryo zelf het beste.”
Journal Reference:
- Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera Castrejon, et al. ¬ Synthetische embryo's na gastrulatie die ex utero zijn gegenereerd uit muis-naïeve ESC's. Cel 01 augustus 2022. DOI: 10.1016 / j.cell.2022.07.028
