Forskare från Weizmann naturvetenskapliga institutet har för första gången någonsin odlat syntetiska embryomodeller av möss utanför livmodern med stamceller odlade i en petriskål. Detta är ett stort medicinskt vetenskapligt genombrott.
Dessutom sker cellodlingsprocessen utan att använda befruktade ägg, vilket kringgår behovet av spermier.
Detta tillvägagångssätt skulle i betydande utsträckning kunna undvika de tekniska och moraliska problem som är förknippade med att använda naturliga embryon inom forskning och bioteknik, vilket gör det otroligt viktigt. Även med möss är vissa tester för närvarande opraktiska eftersom de skulle kräva tusentals embryon; Tillgängligheten av modeller utvecklade från embryonala musceller, som multipliceras med miljoner i labbinkubatorer, är dock nästan obegränsad.
Prof. Jacob Hanna från Weizmanns avdelning för molekylär genetik sa: "Embryot är den bästa organtillverkningsmaskinen och den bästa 3D-bioprintern – vi försökte efterlikna vad den gör. Forskare vet redan hur man återställer mogna celler till "stamness" - pionjärer inom denna cellulära omprogrammering hade vunnit ett Nobelpris 2012. Men går i motsatt riktning, vilket får stamceller att differentiera till specialiserade kroppsceller, för att inte tala om hela formorgan, har visat sig mycket mer problematiskt.”
"Framtills nu, i de flesta studier, var de specialiserade cellerna ofta antingen svåra att producera eller avvikande, och de tenderade att bilda en mishmash istället för välstrukturerad vävnad lämplig för transplantation. Vi lyckades övervinna dessa hinder genom att frigöra potentialen för självorganisering som är kodad i stamceller. "
I mars 2021 kom forskare med den elektroniskt kontrollerade enheten som tillåter odling av naturliga musembryon utanför livmodern. Forskare använde samma enhet i det nya experimentet för att odla musstamceller i över en vecka - ungefär hälften av dräktighetstiden för en mus.
Forskarna delade in stamcellerna i tre grupper innan de placerades i enheten. I den ena lämnades cellerna som så småningom själva skulle bli embryonala organ i sitt nuvarande tillstånd. En av två typer av gener, masterregulatorer av antingen moderkakan eller gulesäcken, överuttrycktes i cellerna i de andra två grupperna under en förbehandling som varade bara 48 timmar.
Hanna sa, "Vi gav dessa två grupper av celler en övergående push för att ge upphov till extraembryonala vävnader som upprätthåller utveckla embryot. "
De tre cellgrupperna kombinerades snabbt inuti enheten för att bilda aggregat, av vilka majoriteten inte genomgick full utveckling. Men 50 av 10,000 0.5, eller ungefär XNUMX procent, fortsatte att bilda sfärer, som var och en senare utvecklades till en långsträckt, embryoliknande struktur. Moderkakan och gulesäckarna var synliga utanför embryona, och modellens utveckling fortsatte som i ett naturligt embryo eftersom forskarna hade färgkodat varje uppsättning celler.
Dessa syntetiska modeller utvecklades normalt fram till dag 8.5 – nästan hälften av musens 20-dagars dräktighet – då alla tidiga organföräldrar hade bildats, inklusive ett bankande hjärta, blodstamcellscirkulation och en hjärna med välformade veck, en neuralröret och en tarmkanal. Jämfört med naturliga musembryon visade de syntetiska modellerna 95 procent likhet i både formen på interna strukturer och genuttrycksmönstren för olika celltyper. De organ som sågs i modellerna gav alla indikationer på att de var funktionella.
Hanna sade, "Studien presenterar en ny arena: Vår nästa utmaning är att förstå hur stamceller vet vad de ska göra - hur de själva sätts ihop till organ och hittar till sina tilldelade platser inuti ett embryo. Och eftersom vårt system, till skillnad från en livmoder, är genomskinligt, kan det visa sig användbart för att modellera födelse- och implantationsdefekter av mänskliga embryon."
"Istället för att utveckla ett annat protokoll för att odla varje celltyp – till exempel de i njuren eller levern – kanske vi en dag kan skapa en syntetisk embryoliknande modell och sedan isolera de celler vi behöver. Vi behöver inte diktera för de framväxande organen hur de måste utvecklas. Embryot självt gör detta bäst.”
Tidskriftsreferens:
- Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera Castrejon, et al. ¬ Syntetiska embryon efter gastrulation genererade Ex Utero från musnaiva ESC:er. Cell 01 augusti 2022. DOI: 10.1016 / j.cell.2022.07.028
