Kaj lahko in česa ne zmorejo sintetični zarodki, zdaj in v prihodnosti

Magdalena Zernicka-Goetz je Bren, profesorica biologije in biološkega inženiringa na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu ter profesorica biologije in razvoja izvornih celic na Univerzi v Cambridgeu.

V tem intervjuju razpravljamo o nedavnem napredku v tehnologijah, ki nam omogočajo uporabo matičnih celic za ustvarjanje struktur, podobnih zarodkom, z možgani in celo utripajočim srcem v jedi. Raziskujemo, kako so zgrajeni ti 'sintetični' zarodki in meje njihove podobnosti z naravnimi zarodki, vzgojenimi iz oplojenih jajčec. Pojasnjuje tudi, kako nam lahko pomagajo razumeti, zakaj nosečnosti ne uspejo, kako zgraditi organe iz nič in celo kako pomladiti starajoča se telesa. Najprej pa razkrije ključno spoznanje, ki nam je omogočilo, da smo te modele zarodkov gojili v posodi dlje kot kdajkoli prej: da celice, ki bodo sestavljale telo, tega ne morejo storiti same.

---

Kaj je sintetični zarodek in za kaj se lahko uporablja?

PRIHODNOST: Ali lahko za začetek pojasnite, kaj je sintetični zarodek?

MAGDALENA ZERNICKA-GOETZ: Ta izraz mi pravzaprav ni preveč všeč, če sem iskrena. Zmedeno je, ker se bodo ljudje spraševali, iz česa je to narejeno? 

Vendar ga uporabljamo, ker to je bližnjica reči, da smo sintetizirali zarodku podobno strukturo iz gradnikov. V našem laboratoriju uporabljamo tri vrste gradnikov. En gradnik odraža izvorno celico za vsako posamezno vrsto celice, ki bo zgradila naše odraslo telo. Imenuje se embrionalna izvorna celica. In druga dva gradnika sta matične celice za tako imenovane ekstraembrionalne strukture. Ena izmed njih je znana, to je posteljica. Ta je tista, ki povezuje dojenčka s telesom matere, preko katere se bo dojenček hranil. Druga od teh ekstraembrionalnih struktur je manj znana, vendar se imenuje rumenjakova vrečka. To je nekakšna vreča, v kateri bo rasel zarodek.

Na splošno, katere stvari bi morda želeli narediti s sintetičnimi modeli zarodkov?

Tako smo na primer pokazali, da je mogoče te modele uporabiti za razumevanje delovanja specifičnih genov, ki so kritični za nekatere stopnje razvoja. Vemo na primer, da obstaja gen, ki je pomemben za razvoj možganov in oči. Ne vemo pa natančno, kako deluje iz resničnih modelov mišjih zarodkov, saj ne moremo tako natančno slediti celotnemu procesu od začetka do konca. Zdaj lahko uporabite embrionalne izvorne celice, v katerih lahko odstranite ta gen in izveste več o tem, na kateri stopnji razvoja je ta gen pomemben in za kaj. Te gene lahko tudi odstranite v različnih časovnih točkah in vidite posledice. 

Ne bo mogel rasti in se razvijati kot mi, lahko pa nam omogoči pomemben vpogled v drobce življenja, ki so v tem trenutku popolna skrivnost.

Ogledamo si lahko tudi vlogo določenega okolja ali posameznih metabolitov. Na primer, nosečnicam svetujemo, da jemljejo folno kislino, saj pomaga pri razvoju živčevja. Toda na kateri stopnji natančno je pomembno, kaj to v resnici počne? 

Ali obstaja priložnost za boljše razumevanje, zakaj se toliko nosečnosti konča zelo zgodaj, glede na to, da ti modeli simulirajo enake zgodnje razvojne faze? 

Da, absolutno. Zelo pomembno se je zavedati, da večina nosečnosti ne uspe ravno takrat, ko sploh ne vemo, da smo noseče. Prva dva tedna razvoja sta zelo občutljiva, saj obstajajo glavni mejniki, ki jih je treba doseči ob pravem času. 

Najprej moramo proizvesti matične celice za ta tri tkiva, ki sem jih omenil, dve ekstraembrionalni in eno embrionalno. Moramo jih ustvariti na pravi način, nato pa morajo ta tkiva medsebojno delovati. Pomemben pa je tudi čas. Nosečnosti ne morete podaljšati na recimo 15 mesecev. To kaže, da je treba določene mejnike doseči ob določenih časovnih točkah.

samo en tip izvornih celic res gradi telo, drugi dve pa sta vodilni sili, malo kot mati in oče.

Torej, ko se ti razvojni mejniki ne izvajajo pravilno, ali so zakasnjeni ali se zgodijo prezgodaj, se zarodki prekinejo. Ali ko je komunikacija med temi tremi vrstami celic nekako nenormalna ali pa se sploh ne dogaja, se zarodki ponovno zavrnejo. Zato je toliko nosečnosti neuspešnih. Zdaj lahko s temi modeli preučimo, kako lahko zaščitimo otroka v telesu matere. To je upanje in to je zame zelo pomembna motivacija. 

Želim pa poudariti, da zdaj govorimo o sintetičnih modelih mišjih zarodkov. Toda očitno je to nekakšen prototip za izdelavo tridimenzionalnih modelov človeškega zarodka, vendar tudi takrat ne bi bil v resnici človeški zarodek. Ne bo mogel rasti in se razvijati kot mi, lahko pa nam da pomemben vpogled v drobce življenja, ki so v tem trenutku popolna skrivnost.

Kje smo torej z modeli človeških sintetičnih zarodkov ali celo z gojenjem in vitro človeških zarodkov?

Modelov človeških zarodkov torej še ni. Kolikor vem, še ni celotne strukture, podobne zarodku, zgrajene iz človeških matičnih celic. Ko smo začeli izdelovati modele mišjih zarodkov, pridobljenih iz matičnih celic, se je veliko ljudi spraševalo, zakaj tega ne počnemo s človeškimi matičnimi celicami, in prepričan sem, da mnogi moji kolegi poskušajo zgraditi podoben model z uporabo človeških matičnih celic. Ampak to ni nepomembno. Prvič, človeške in mišje izvorne celice se ne razvijajo na enak način. Za vzdrževanje v kulturi potrebujejo drugačne pogoje. Da bi se resnično prepričali, da znamo to narediti, bo model miške prototip. 

Kljub temu mnogi ljudje, vključno z nami, uporabljajo človeške matične celice v kulturi za izdelavo tridimenzionalnih tkiv ali fragmentov zarodkov. Uporabljamo jih, da na primer razumemo, kako nastane amnijska votlina (zaprta vreča, ki vsebuje amnijsko tekočino). Ali bi lahko popravili njegov razvoj, ko bi šlo narobe?

Toda to je le delček človeškega zarodka, model v zgodnji fazi implantacije v steno maternice. Trenutno lahko gojimo človeške zarodke le do tako imenovanega 14. dne, to je meja, kjer ne moremo mimo. 

Ustvarjanje struktur, podobnih zarodkom, v laboratoriju

To je fascinantno. Torej, kako ustvarite mišji sintetični zarodek?

Način, kako izdelujemo te sintetične modele zarodkov v našem laboratoriju, je nekako edinstven. Ta pristop smo razvili z razumevanjem, kako se zarodek gradi v naravnem življenju, in uporabljamo lekcije iz zarodka, da posnemamo ta proces v laboratoriju v petrijevki. 

Zato uporabljamo tri vrste izvornih celic. Poskušamo jih sestaviti v pravem razmerju, ustvariti pravo okolje, da so tri vrste celic in celice, ki bodo iz njih nastale, zadovoljne in želijo med seboj komunicirati. 

To je tisto, kar je bistvenega pomena: uporabiti tri vrste celic – ne eno –, ker običajno poteka razvoj prek interakcij med tremi vrstami celic. Samo en tip izvornih celic res gradi telo, drugi dve pa sta vodilni sili, malo kot mati in oče.

Nikoli prej tega nisem tako opisal, vendar bi lahko o tem razmišljali na ta način, ker ti dve drugi vrsti celic zagotavljata navodila in signalne informacije, vendar tudi zgradita neke vrste dom za zarodek, ki se hrani.

Previjemo malo nazaj. To področje je v zadnjih nekaj letih močno napredovalo. Mi lahko poveste, kateri so bili res pomembni mejniki v smislu napredka pri izgradnji tega modela zarodka?

Povedati moram dve dejstvi, ki sta dobro znani. Prvič, embrionalne izvorne celice je mogoče ohraniti v kulturi in razmnoževati v kulturi za nedoločen čas. To je bilo odkritje Martina Evansa, ki je zanj prejel Nobelovo nagrado. Vedeli smo, da če vzamete nekaj teh celic in jih sestavite skupaj z zarodkom, bodo lahko prispevale k odraslim tkivom.

Tako smo vedeli, da imajo matične celice ta čarobni potencial. Toda česar nismo vedeli in kar je bil preboj pred približno 10 leti, je bilo, ali bomo lahko zgradili zarodke izključno iz teh celic, brez gostiteljskega zarodka. Seveda ni bilo nenadoma, šlo je korak za korakom. Toda tega smo se naučili tako, da smo najprej opazovali, kako to počne zarodek.

Obstaja zelo zgodnja razvojna stopnja, imenovana stopnja implantacije zarodka, o kateri vemo zelo malo, zlasti pri ljudeh. Prvih nekaj dni razvoja pred to stopnjo je precej dobro razdelanih. Tri vrste celic, o katerih sem govoril, nastanejo v teh prvih dneh. 

[Ti] modeli niso pomembni samo za razumevanje embriogeneze, ampak so pomembni tudi za razumevanje geneze določenih tkiv, ki gradijo naše odrasle organe. Poskušamo identificirati osnovna pravila, ki jih je treba upoštevati.

Ko so te tri vrste celic oblikovane, se začnejo med seboj pogovarjati. Toda kako komunicirajo, ni bilo dobro znano, saj je to čas, ko zarodek vdre v telo matere, med procesom, imenovanim implantacija. Tega procesa nismo mogli posnemati in vitro, zato ga nismo mogli opazovati. Torej, naš prvi korak je bil razviti način gojenja pravih zarodkov, miši in ljudi skozi to fazo v laboratoriju.

Takoj ko nam je to uspelo, smo lahko sledili celicam, jih označevali in jim sledili, da smo ugotovili čas, ko se razmnožujejo in medsebojno delujejo. Ko smo spremljali te dogodke, smo ugotovili, da zdaj vemo dovolj, da lahko posnemamo te dogodke z matičnimi celicami, ki predstavljajo tri tkiva. 

To je bilo potovanje in prvi, najpomembnejši mejnik je bilo ugotoviti, kako to počne zarodek. Zlasti zavedanje, da zarodek sprejema navodila iz dveh ekstraembrionalnih tkiv. Doslej, izdelali smo pet modelov z dodajanjem različnih kombinacij ekstraembrionalnih celic embrionalnim. The prvi model je izšel leta 2014, zadnji model pa je bil pravkar objavljeno.

Povej mi o tem naslednjem koraku. Kaj je bilo s tem novim modelom doseženo v smislu, kako daleč napredujejo zarodki in kaj lahko vidite na njih? In kako so videti v primerjavi z oplojenim jajčecem, ki se razvije v zarodek?

Zadnji model se zdaj razvija do trenutka, ko se oblikujejo glava, srce in somiti (segmenti vzdolž telesnih osi). To je neverjetno, saj nismo bili prepričani, ali bodo te zarodkom podobne strukture dovolj dobre za doseganje teh mejnikov. Vsi predniki možganov so tam, srčna struktura pa bije in črpa kri. 

Lekcije iz zgodnjega zarodka nas lahko tudi naučijo, kako pomladiti tkiva, saj so zarodna tkiva mlada tkiva.

Kako podobni so torej naravnim zarodkom? Zelo sta si podobna, nista pa identična. To je zelo zanimivo, ker potem lahko slediš razvoju modelov, ki so skoraj enaki, in tistih, ki niso, da razumeš osnovna načela, ki jih moramo izpolniti, da bo določena vrsta tkiva ali organa popolna.

Zato ti modeli niso pomembni samo za razumevanje embriogeneze, ampak so pomembni tudi za razumevanje geneze določenih tkiv, ki gradijo naše odrasle organe. Poskušamo identificirati osnovna pravila, ki jih je treba upoštevati, da se ti dogodki pravilno izvedejo. Lahko začnete ugotavljati, kaj se dogaja, in ker dovolite zarodku, da se gradi, lahko ugotovite mehanizme tega procesa in kdaj gredo narobe.

Kam lahko pripeljejo sintetični zarodki

Povejte mi nekaj več o tem, kaj vi osebno želite narediti s temi modeli. Ali obstajajo posebna vprašanja ali izzivi, ki jih želite obravnavati?

Moji glavni interesi so dvojni. Prva je razumeti, kako je življenje ustvarjeno. Zato uporabljam ta model, da bi poskušal resnično razumeti to skrivnostno fazo življenja, ko celice prvič komunicirajo med seboj, da zgradijo nekaj tako kompleksnega, kot smo mi. Toda to je tudi čas, ko večina nosečnosti ne uspe. Če lahko to razumemo, bi lahko v prihodnosti pomagali preprečiti te napake. To je naše upanje.

To je malo podobno temu, kako zgraditi hišo, kajne? Ne zanašate se na gradnike, da se sami uredijo.

Lekcije iz zgodnjega zarodka nas lahko tudi naučijo, kako pomladiti tkiva, saj so zarodna tkiva mlada tkiva. Tako nas uči o gradnji naših organov in tkiv. Upajmo, da znanje iz teh študije – korak za korakom – bodo uporabljene za presaditev organov ali popravilo organov v naših odraslih telesih, ko ti odpovejo.

Ali obstajajo obstoječe ovire, tehnične ali znanstvene, ki zavirajo razvoj in uporabo teh modelov?

Ja, v glavnem okoli tehnologije ustvarjanja struktur, podobnih zarodkom. Ko združimo te tri vrste matičnih celic, se zanašamo na sile med njimi, da ustvarimo pravi zarodek. Včasih gre dobro, včasih ne. Vidimo to spremenljivost struktur. Zato bomo morali razviti orodja za boljši nadzor teh dogodkov. 

Na primer, na tej konferenci, ki se je trenutno udeležujem, sem s kolegom razpravljal o optogenetiki. S svetlobo lahko spodbudi določene odzive celice. Torej, ali lahko uporabimo te optogenetske pristope, da nam pomagajo voditi proces samoorganizacije? 

Na kakšen način voditi proces?

Za načrtovanje posebnih dogodkov. Na primer, ko razmišljamo o ustvarjanju tkiv in organov, ki lahko nadomestijo poškodovana, bi morali razumeti, kako jih lahko oblikujemo, da bi to storili učinkovito. To je malo podobno temu, kako zgraditi hišo, kajne? Ne zanašate se na gradnike, da se sami uredijo. Ali pa, če bi bila zgradba manj kot popolna, bi bilo to nesprejemljivo. Radi bi vodili proces gradnje, da bi zagotovili nadzor kakovosti. 

Torej še nismo sposobni biti inženirji ali arhitekti. Namesto tega poskušamo ustvariti okolje za zarodek, da se zgradi in razume ta proces ter mu sledi in mu pomaga ali ga moti. Vendar še nismo v procesu tkivnega inženirstva. Tkivno inženirstvo je zelo, zelo pomembno in bo prihodnost nadomestkov organov. Toliko bolnikov čaka na presaditev jeter ali drugih organov, ki jim odpovedujejo, in to je res tragično. Če lahko ustvarimo in popravimo te organe z uporabo znanja, ki izhaja iz naših študij, bo to naravnost neverjetno. To, kar počnemo mi in kar počne veliko mojih kolegov – tako imenovani bioinženiring tkiv – je tisto, kar bo šlo v prihodnosti.

Objavljeno 30. avgusta 2022