De mest avanserte embryomodellene som ennå etterligner de to første ukene med menneskelig utvikling

De mest avanserte embryomodellene som ennå etterligner de to første ukene med menneskelig utvikling

Tidsstempel: 12. september 2023 3:00
De mest avanserte embryomodellene ennå etterligner de to første ukene med menneskelig utvikling PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikalt søk. Ai.

Glem sperm møter egg.

Ved å bruke menneskelige stamceller har forskere skapt menneskelige embryo-lignende strukturer inne i petriskåler. Disse laboratoriedyrkede klattene utvikler flere strukturer som etterligner et menneskelig embryo etter implantasjon i livmoren - en viktig milepæl for fruktbarhet - og varer i minst 14 dager.

For et tiår siden ville produksjon av embryolignende strukturer, eller embryoider, uten reproduktive celler ha virket latterlig. Men etter hvert som forskere i økende grad kartlegger den kronglete molekylære reisen mot menneskelig unnfangelse, blir det mulig å gjøre unna sæd og egg for å kikke inn i den "svarte boksen" for tidlig menneskelig utvikling.

Det høres fortsatt ut som et Frankenstein-eksperiment. Men bestrebelsen er ikke makaber vitenskapelig nysgjerrighet. Svært lite er kjent om de første ukene av menneskelig graviditet, da utviklingen oftest har en tendens til å gå galt. Å studere modeller som etterligner disse tidlige stadiene - uten kontroversen om biologiske prøver - kan hjelpe par som sliter med å bli gravide og belyse mysteriene med tapte tidlige svangerskap.

En ny studie publisert i Natur fra embryoidveteranen Dr. Jacob Hanna skyver nå tidslinjen for lab-drektighet fremover. Teamet gjorde menneskelige embryonale stamceller til embryoider som modellerer tidlige menneskelige embryoer. I likhet med deres biologiske motparter utviklet de laboratoriebaserte klattene store "lag" av vev som definerer de tidlige stadiene av menneskelig utvikling.

"Dramaet er i den første måneden, de resterende åtte månedene av svangerskapet er hovedsakelig mye vekst," sa Hanna. "Men den første måneden er fortsatt stort sett en svart boks. Vår stamcelleavledede menneskelige embryomodell tilbyr en etisk og tilgjengelig måte å kikke inn i denne boksen på."

Oppskrift på et embryoide

For to år siden slapp det samme teamet et storslått resultat: egg møter sæd er ikke nødvendig for å vekke liv, i hvert fall hos mus. Ved hjelp av stamceller fra mus oppdaget teamet en kjemisk suppe som kunne dytte cellene inn i embryoliknende strukturer inne i en petriskål.

"Embryoet er den beste organfremstillingsmaskinen og den beste 3D-bioprinteren - vi prøvde å etterligne det det gjør," sa Hanna på den tiden.

Ideen virker relativt enkel: alle embryonale celler har potensial til å bli en hvilken som helst annen celletype. Men disse cellene er også svært sosiale. Avhengig av miljøet deres - for eksempel hvilke kjemiske eller hormonelle signaler de mottar - organiserer de seg selv i vev.

Dyrking av embryoider er avhengig av to fremskritt, begge fra Hanna-laben.

Man plasserer tilbakeførte stamceller til en fullstendig naiv tilstand - en tabula rasa som tørker bort enhver identitet. Vi tenker ofte på stamceller som en enhetlig mengde, men de er faktisk på et spekter av utvikling. Hvert skritt fremover leder cellens utvikling mot en bestemt celletype eller organ. Imidlertid har en naiv stamcelle potensial til å vokse inn i hvilken som helst kroppsdel.

Fullstendig omstart til naive stamceller gjør det lettere å integrere stamceller i vertene deres – uavhengig av om det er i mennesker eller mus.

Et annet fremskritt er en elektronisk kontrollert enhet som bader embryoidene i bølger av næringsstoffer. Som en pacemaker simulerer pumpen hvordan næringsstoffer skyller over embryoer i livmoren, samtidig som den kontrollerer oksygennivået og atmosfærisk trykk.

I en proof-of-concept studie, en liten del av celler fra mus dannet til embryo-lignende strukturer. De utviklet seg på samme måte som deres naturlige kolleger frem til omtrent halvparten av deres normale svangerskap. Etter åtte dager hadde embryoidene et bankende hjerte, blodceller i sirkulasjonen, en minihjerne med sine klassiske folder og en fordøyelseskanal.

"Hvis du gir et embryo de rette forholdene, vil dets genetiske kode fungere som en forhåndsinnstilt linje med dominoer, arrangert for å falle etter hverandre." sa Hanna i et tidligere intervju. "Målet vårt var å gjenskape disse forholdene, og nå kan vi se, i sanntid, når hver domino treffer den neste i køen."

Nesten menneskelig

Mus er ikke menn. Hanna er godt klar over, og den nye studien bygger bro over kløften.

Det første steget? Forbered en menneskelig stamcelle ved å sette den tilbake til en naiv tilstand.

Med dette råmaterialet i hånden ga teamet deretter cellene forskjellige identiteter, kalt avstamninger. Noen av disse utvikler seg til celler som til slutt utgjør embryoet. Andre blir til støtteceller, for eksempel de som utgjør morkaken eller bygger plommesekken - en liten, avrundet multitasker som støtter helsen til det utviklende embryoet.

Med andre ord er det tidlig utviklede menneskelige embryoet et komplekst økosystem. Så det er ikke rart at det å lokke naive stamceller til flere roller lenge har unngått embryoidprodusenter. Likevel blir hver enkelt avstamning uunnværlig etter at et stort skritt i tidlig menneskelig utvikling, implantasjon, finner sted. Når et befruktet embryo fester seg til livmorveggen, utløser det en myriade av endringer som er avgjørende for videre utvikling. Det er også når embryotap ofte oppstår.

Den nye studien zoomer inn på post-implantasjonsstadiet, og gjenbruker teamets tidligere museembryoidprotokoll for å generere selvorganiserende menneskelige embryoider. Overraskende nok var det enklere.

De måtte genetisk konstruere musestamceller for å presse dem mot forskjellige avstamninger, sier teamet. Med menneskelige celler justerte de bare næringsbadet – ingen ekstra gener kreves – for å aktivere genetiske programmer i stamceller og gjøre dem om til alle tre typer støttevev.

Etter hvert som embryoidene ble modnet, brukte teamet en rekke molekylære og genetiske verktøy for å undersøke deres troskap. Samlet sett lignet strukturene 3D-arkitekturen til naturlig utviklede menneskelige embryoer mellom 7 og 14 dager etter befruktning. Noen celler pumpet til og med ut humant koriongonadotropin (hCG), et hormon som brukes til hjemmegraviditetstester. Å duppe cellenes sekret på pinnen ga det positive resultatet med dobbel linje.

Samlet sett viste embryoidene viktige utviklingslandemerker for et tidlig implantert embryo, sa teamet, uten behov for befruktning eller interaksjoner med mors liv.

[Innebygd innhold]

Embryoid rase

Hannas team er ikke det eneste som skyver embryoider fremover.

I juni i år, to andre lag konstruerte embryoider som etterligner menneskelige embryoer etter implantasjon. Oppskriftene og ingrediensene er annerledes enn Hannas. En studie, for eksempel, satt inn en rekke kraftige genetiske faktorer som presset stamceller til å bli støttevev.

Forskere er ikke helt enige om hvilke embryoider som ligner best på deres naturlige motstykke. Imidlertid er de enige om ett aspekt: ​​stamceller, under de rette forholdene, har en utrolig evne til å selvorganisere seg til stadig mer sofistikerte embryolignende strukturer.

For nå er 14-dagers embryoid utpekt som "mest avanserte" ennå.

Fjorten dager er en streng grense for forskning på naturlige menneskelige embryoer i mange land, ved at de ikke kan dyrkes videre i laboratoriet. Imidlertid oppfyller ikke embryoider definisjonen av et embryo og er ikke underlagt 14-dagers begrensningen. Med andre ord kan menneskelige embryoider dyrkes videre langs utviklingstidslinjen. Tidligere arbeid viser at det er teknologisk mulig i mus, med stamceller som utvikler semifunksjonelle organer.

Hvis du blir litt lurt – du er ikke alene. Embryoider vokser inn i stadig senere stadier i et våpenkappløp for å åpne den svarte boksen for tidlig menneskelig utvikling. For nå må embryoider dyrket fra menneskelige embryonale stamceller respektere gjeldende regelverk. Imidlertid er de som er laget av induserte stamceller - ofte ved bruk av hudceller vendt tilbake til en stamcelle-lignende tilstand - ikke underlagt noen regler.

For å være tydelig, har ikke embryoider kapasitet til å utvikle seg fullt ut til mennesker. Imidlertid, a fersk undersøkelse hos aper viste at de kan indusere graviditet når de ble transplantert inn i en livmor - men i så fall ble embryoidet raskt og naturlig avsluttet. Debatter om og hvordan disse cellulære klattene skal reguleres pågår.

Foreløpig er Hannas team fokusert på å revidere oppskriften deres for å øke effektiviteten. Men som et langsiktig mål håper de å presse embryoiden enda lenger for å se om de kan utvikle rudimentære organer. Disse eksperimentene "vil gi innsikt i tidligere utilgjengelige vinduer for tidlig menneskelig utvikling," sier de.

Bilde Credit: Weizmann Institutt for naturvitenskap

Tidstempel:

Mer fra Singularity Hub