Co mogą, a czego nie mogą robić zarodki syntetyczne, teraz i w przyszłości?

Magdalena Zernicka-Goetz jest profesorem biologii i inżynierii biologicznej w Bren w California Institute of Technology oraz profesorem biologii i rozwoju komórek macierzystych na Uniwersytecie Cambridge.

W tym wywiadzie omawiamy ostatnie postępy w technologiach, które pozwalają nam wykorzystywać komórki macierzyste do tworzenia struktur podobnych do embrionów z mózgiem, a nawet bijącym sercem w naczyniu. Badamy, jak zbudowane są te „syntetyczne” zarodki i jakie są granice ich podobieństwa do naturalnych zarodków wyhodowanych z zapłodnionych jaj. Wyjaśnia również, w jaki sposób mogą nam pomóc zrozumieć, dlaczego ciąże zawodzą, jak budować narządy od podstaw, a nawet jak odmładzać starzejące się ciała. Ale najpierw ujawnia kluczowy wgląd, który pozwolił nam wyhodować te modele zarodków w naczyniu dłuższym niż kiedykolwiek wcześniej: że komórki, które tworzą ciało, nie mogą tego zrobić same.

---

Co to jest zarodek syntetyczny i do czego można go wykorzystać?

PRZYSZŁOŚĆ: Na początek, czy możesz wyjaśnić, czym jest syntetyczny embrion?

MAGDALENA ZERNICKA-GOETZ: Właściwie nie lubię tego określenia, jeśli mam być szczery. To mylące, ponieważ ludzie będą się zastanawiać, z czego to jest zrobione? 

Ale używamy go, ponieważ to skrót powiedzieć, że zsyntetyzowaliśmy strukturę podobną do embrionu z cegiełek. W naszym laboratorium używamy trzech rodzajów klocków. Jeden element budulcowy odzwierciedla komórkę macierzystą dla każdego typu komórki, która zbuduje nasze dorosłe ciało. Nazywa się embrionalną komórką macierzystą. A pozostałe dwa elementy budulcowe to komórki macierzyste dla tak zwanych struktur pozaembrionalnych. Jeden z nich jest sławny, to łożysko. To ta, która łączy dziecko z ciałem matki, przez którą dziecko będzie karmione. Druga z tych pozaembrionalnych struktur jest mniej znana, ale nazywa się woreczkiem żółtkowym. To rodzaj worka, w którym będzie rósł zarodek.

Ogólnie rzecz biorąc, jakie są niektóre rzeczy, które moglibyśmy chcieć zrobić z syntetycznymi modelami zarodków?

Na przykład pokazaliśmy, że te modele można wykorzystać do zrozumienia funkcji określonych genów, które są kluczowe dla niektórych etapów rozwoju. Wiemy na przykład, że istnieje gen, który jest ważny dla rozwoju mózgu i oczu. Ale nie wiemy dokładnie, jak to działa na podstawie prawdziwych modeli embrionów myszy, ponieważ nie możemy tak dokładnie prześledzić całego procesu od początku do końca. Więc teraz możesz użyć embrionalnych komórek macierzystych, w których możesz wyeliminować ten gen i dowiedzieć się więcej o tym, na jakim etapie rozwoju ten gen jest ważny i do czego. Możesz także wyeliminować te geny w różnych punktach czasowych i zobaczyć konsekwencje. 

Nie będzie w stanie rosnąć i rozwijać się tak jak my, ale może dać nam ważny wgląd w fragmenty życia, które w tej chwili są całkowitą tajemnicą.

Możemy również przyjrzeć się roli określonego środowiska lub poszczególnych metabolitów. Na przykład kobietom w ciąży zaleca się przyjmowanie kwasu foliowego, ponieważ wspomaga on rozwój nerwów. Ale na którym dokładnie etapie jest ważne, co to naprawdę robi? 

Czy istnieje możliwość lepszego zrozumienia, dlaczego tak wiele ciąż kończy się bardzo wcześnie, biorąc pod uwagę te modele symulujące te same wczesne etapy rozwoju? 

Tak, absolutnie. Bardzo ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że większość ciąż kończy się niepowodzeniem w momencie, gdy nawet nie wiemy, że jesteśmy w ciąży. Pierwsze dwa tygodnie rozwoju są bardzo kruche, ponieważ istnieją ważne kamienie milowe, które należy osiągnąć we właściwym czasie. 

Najpierw musimy wyprodukować komórki macierzyste dla tych trzech tkanek, o których wspomniałem, dwóch pozaembrionalnych, jednej embrionalnej. Musimy je stworzyć we właściwy sposób, a następnie te tkanki muszą ze sobą współdziałać. Ale czas też się liczy. Nie możesz przedłużyć ciąży do, powiedzmy, 15 miesięcy. To pokazuje, że poszczególne kamienie milowe muszą zostać osiągnięte w określonych punktach czasowych.

Only jeden typ komórek macierzystych naprawdę buduje ciało, ale pozostałe dwa są siłami przewodnimi, trochę jak matka i ojciec.

Kiedy więc te kamienie milowe w rozwoju nie zachodzą prawidłowo, są opóźnione lub pojawiają się zbyt wcześnie, embriony są usuwane. Albo kiedy komunikacja między tymi trzema typami komórek jest w jakiś sposób nieprawidłowa lub w ogóle się nie dzieje, embriony ulegają aborcji. Dlatego tak wiele ciąż kończy się niepowodzeniem. Teraz, dzięki tym modelom, jesteśmy w stanie przyjrzeć się, jak możemy chronić dziecko w ciele matki. To jest nadzieja i bardzo ważna dla mnie motywacja. 

Chciałbym jednak podkreślić, że teraz mówimy o syntetycznych modelach embrionów myszy. Ale oczywiście jest to rodzaj prototypu do budowania trójwymiarowych modeli ludzkich embrionów, ale nawet wtedy tak naprawdę nie byłby to ludzki embrion. Nie będzie w stanie rosnąć i rozwijać się tak jak my, ale może dać nam ważny wgląd w fragmenty życia, które w tej chwili są całkowitą tajemnicą.

Więc gdzie jesteśmy z ludzkimi syntetycznymi modelami embrionów, a nawet z hodowlą ludzkich embrionów in vitro?

Tak więc modeli ludzkich embrionów jeszcze nie ma. O ile mi wiadomo, nie ma jeszcze całej struktury przypominającej embrion zbudowanej z ludzkich komórek macierzystych. Kiedy zaczęliśmy budować modele mysich embrionów z komórek macierzystych, wiele osób pytało, dlaczego nie robimy tego z ludzkimi komórkami macierzystymi. Jestem pewien, że wielu moich kolegów próbuje zbudować podobny model przy użyciu ludzkich komórek macierzystych. Ale to nie jest trywialne. Po pierwsze, ludzkie komórki macierzyste i mysie komórki macierzyste nie rozwijają się w ten sam sposób. Potrzebują odmiennych warunków w kulturze. Aby naprawdę upewnić się, że wiemy, jak to zrobić, model myszy będzie prototypem. 

Niemniej jednak wiele osób, w tym naswykorzystują ludzkie komórki macierzyste w hodowli do budowy trójwymiarowych tkanek lub fragmentów zarodków. Używamy ich, aby zrozumieć, na przykład, jak tworzy się jama owodniowa (zamknięty worek zawierający płyn owodniowy). Czy bylibyśmy w stanie skorygować jego rozwój, gdy coś pójdzie nie tak?

Ale to tylko fragment ludzkiego embrionu, model na wczesnych etapach implantacji w ścianie macicy. W tej chwili możemy hodować ludzkie embriony tylko do tak zwanego 14 dnia, to jest granica, przez którą nie możemy przejść. 

Tworzenie struktur podobnych do embrionów w laboratorium

To fascynujące. Jak więc stworzyć syntetyczny zarodek myszy?

Sposób, w jaki budujemy te syntetyczne modele zarodków w naszym laboratorium, jest wyjątkowy. Opracowaliśmy to podejście, rozumiejąc, w jaki sposób zarodek buduje się w naturalnym życiu i wykorzystujemy lekcje z zarodka, aby naśladować ten proces w laboratorium na szalce Petriego. 

Więc używamy trzech rodzajów komórek macierzystych. Staramy się zestawiać je w odpowiednich proporcjach, tworzyć odpowiednie środowisko, aby trzy rodzaje komórek i komórki, które z nich powstaną, były szczęśliwe i chciały się ze sobą komunikować. 

To jest najważniejsze: używać trzech typów komórek – a nie jednego – ponieważ normalnie rozwój odbywa się poprzez interakcje między trzema typami komórek. Tylko jeden typ komórek macierzystych naprawdę buduje ciało, ale pozostałe dwa są siłami przewodnimi, trochę jak matka i ojciec.

Nigdy wcześniej tego tak nie opisywałem, ale można o tym pomyśleć w ten sposób, ponieważ te dwa inne typy komórek dostarczają instrukcji i informacji sygnalizacyjnych, ale także budują coś w rodzaju domu, w którym embrion ma być odżywiony.

Cofnijmy się trochę. W ciągu ostatnich kilku lat ta dziedzina poczyniła znaczne postępy. Czy możesz mi powiedzieć, jakie były naprawdę ważne punkty orientacyjne, jeśli chodzi o postęp w budowaniu tego modelu embrionu?

Muszę powiedzieć dwa fakty, które są dobrze znane. Po pierwsze, embrionalne komórki macierzyste mogą być utrzymywane w hodowli i namnażać się w hodowli w nieskończoność. To było odkrycie Martina Evansa, który otrzymał za to Nagrodę Nobla. Wiedzieliśmy, że jeśli weźmiesz kilka z tych komórek i połączysz je z zarodkiem, będą mogły przyczynić się do powstania dorosłych tkanek.

Wiedzieliśmy więc, że komórki macierzyste mają ten magiczny potencjał. Ale to, czego nie wiedzieliśmy i co było przełomem około 10 lat temu, to to, czy będziemy w stanie zbudować embriony wyłącznie z tych komórek, bez embrionu gospodarza. Oczywiście nie było to coś nagłego, krok po kroku. Ale sposób, w jaki nauczyliśmy się tego, polegał na obserwacji, jak to robi embrion.

Istnieje bardzo wczesny etap rozwoju, zwany etapem implantacji zarodka, o którym wiemy bardzo mało, szczególnie w przypadku ludzi. Pierwsze dni rozwoju przed tym etapem są całkiem dobrze opracowane. Trzy typy komórek, o których mówiłem, powstają w ciągu tych kilku pierwszych dni. 

[Te] modele są ważne nie tylko dla zrozumienia embriogenezy, ale także dla zrozumienia genezy poszczególnych tkanek, które budują nasze dorosłe organy. Staramy się określić podstawowe zasady, które muszą być spełnione.

Po utworzeniu tych trzech typów komórek zaczynają ze sobą rozmawiać. Jednak sposób, w jaki się komunikują, nie był dobrze znany, ponieważ jest to czas, w którym embrion atakuje ciało matki w procesie zwanym implantacją. Nie mogliśmy naśladować tego procesu in vitro, więc nie mogliśmy go zaobserwować. Tak więc naszym pierwszym krokiem było opracowanie sposobu hodowania prawdziwych embrionów, myszy i ludzi, na tym etapie w laboratorium.

Gdy tylko udało nam się to osiągnąć, byliśmy w stanie śledzić komórki, oznaczać je i śledzić, aby zidentyfikować czas, w którym się rozmnażają i wchodzą ze sobą w interakcje. Kiedy śledziliśmy te wydarzenia, zdaliśmy sobie sprawę, że teraz wiemy wystarczająco dużo, aby móc naśladować te wydarzenia za pomocą komórek macierzystych reprezentujących trzy tkanki. 

To była podróż, a pierwszym, najważniejszym kamieniem milowym było ustalenie, jak to robi embrion. W szczególności uświadomienie sobie, że zarodek otrzymuje instrukcje z dwóch tkanek pozaembrionalnych. Dotychczas, zbudowaliśmy pięć modeli, dodając różne kombinacje komórek pozazarodkowych do komórek embrionalnych. The pierwszy model został opublikowany w 2014 roku, a ostatni model był właśnie opublikowane.

Opowiedz mi o kolejnym kroku. Co osiągnięto dzięki temu nowemu modelowi, jeśli chodzi o postęp embrionów i co można w nich zobaczyć? A jak wyglądają w porównaniu z zapłodnioną komórką jajową, która rozwija się w embrion?

Ostatni model rozwija się teraz do momentu powstania głowy, serca i somitów (segmentów wzdłuż osi ciała). To niewiarygodne, ponieważ nie byliśmy pewni, czy te struktury przypominające embriony będą wystarczająco dobre, aby osiągnąć te kamienie milowe. Wszyscy przodkowie mózgu są tam, a struktura serca bije i pompuje krew. 

Lekcje z wczesnego zarodka mogą również nauczyć nas, jak odmładzać tkanki, ponieważ tkanki zarodkowe to młode tkanki.

Jak więc są podobne do naturalnych embrionów? Są bardzo podobne, ale nie identyczne. To bardzo interesujące, ponieważ wtedy można śledzić rozwój modeli, które są niemal identyczne, jak i te, które nie są, aby zrozumieć podstawowe zasady, które musimy spełnić, aby dany rodzaj tkanki lub narządu był doskonały.

Dlatego te modele są ważne nie tylko dla zrozumienia embriogenezy, ale także dla zrozumienia genezy poszczególnych tkanek budujących nasze dorosłe organy. Staramy się określić podstawowe zasady, które muszą być spełnione, aby te wydarzenia odbyły się prawidłowo. Możesz zacząć rozumieć, co się dzieje, a ponieważ pozwalasz embrionowi na samodzielną budowę, możesz poznać mechanizmy tego procesu i kiedy się nie udają.

Gdzie mogą prowadzić syntetyczne zarodki

Powiedz mi trochę więcej o tym, co osobiście chcesz zrobić z tymi modelami. Czy są jakieś szczególne pytania lub wyzwania, którymi chcesz się zająć?

Moje główne zainteresowania są dwojakie. Pierwszym jest zrozumienie, jak powstaje życie. Używam tego modelu, aby naprawdę zrozumieć tę tajemniczą fazę życia, kiedy komórki po raz pierwszy komunikują się ze sobą, aby zbudować coś tak złożonego jak my. Ale to też czas, kiedy większość ciąż kończy się niepowodzeniem. Gdybyśmy to zrozumieli, bylibyśmy w stanie w przyszłości pomóc w zapobieganiu tym niepowodzeniom. To jest nasza nadzieja.

To trochę jak budowa domu, prawda? Nie polegasz na cegiełkach, aby same się uporządkować.

Lekcje z wczesnego zarodka mogą również nauczyć nas, jak odmładzać tkanki, ponieważ tkanki zarodkowe to młode tkanki. Uczy nas więc budowania naszych narządów i budowania tkanek. Mam nadzieję, że wiedza z nich badania — krok po kroku — zostaną wykorzystane do przeszczepiania narządów lub naprawy narządów w naszych dorosłych ciałach, gdy zawiodą.

Czy istnieją przeszkody techniczne lub w naszym rozumieniu naukowym, które powstrzymują rozwój i wykorzystanie tych modeli?

Tak, są, głównie wokół technologii tworzenia struktur podobnych do embrionów. Kiedy łączymy te trzy rodzaje komórek macierzystych, polegamy na siłach między nimi, aby stworzyć odpowiedni zarodek. Czasami idzie dobrze, czasami nie. Widzimy tę zmienność struktur. Dlatego będziemy musieli opracować narzędzia, aby lepiej kontrolować te wydarzenia. 

Na przykład na tej konferencji, w której obecnie uczestniczę, spędziłem czas omawiając z kolegą optogenetykę. Za pomocą światła może stymulować określone reakcje komórki. Czy możemy więc wykorzystać te optogenetyczne podejścia, aby pomóc nam kierować procesem samoorganizacji? 

W jaki sposób kierować procesem?

Aby zaprojektować konkretne wydarzenia. Na przykład, gdy myślimy o stworzeniu tkanek i narządów, które mogą zastąpić te uszkodzone, aby zrobić to skutecznie, musielibyśmy zrozumieć, jak możemy je zaprojektować. To trochę jak budowa domu, prawda? Nie polegasz na cegiełkach, aby same się uporządkować. Lub, jeśli budynek nie był doskonały, byłoby to nie do przyjęcia. Chcielibyśmy pokierować procesem budowy, aby zapewnić kontrolę jakości. 

Nie jesteśmy więc jeszcze w stanie być inżynierami ani architektami. Zamiast tego staramy się stworzyć środowisko, w którym embrion sam się zbuduje, zrozumie ten proces, będzie podążał za nim, pomagał mu lub zakłócał go. Ale nie jesteśmy jeszcze w trakcie inżynierii tkankowej. Inżynieria tkankowa jest bardzo, bardzo ważna i będzie przyszłością wymiany narządów. Tak wielu pacjentów czeka na przeszczep wątroby lub inne organy, które zawodzą, a to jest naprawdę tragiczne. Jeśli potrafimy stworzyć i naprawić te narządy, korzystając z wiedzy, która pochodzi z naszych badań, będzie to absolutnie niesamowite. To, co robimy i co robi wielu moich kolegów – tak zwana bioinżynieria tkanek – to kierunek, w którym zmierzamy w przyszłości.

Opublikowano 30 sierpnia 2022 r