Czy syntetyczne zarodki zapoczątkują erę sztucznych narządów?   

Naukowcy odtworzyli w laboratorium naturalny proces rozwoju embrionalnego ssaków aż do rozwoju mózgu i serca. Wykorzystując komórki macierzyste, naukowcy stworzyli syntetyczne embriony myszy poza macicą, które odzwierciedlały naturalny proces rozwoju w macicy do 8.5. dnia. To kamień milowy w biologii syntetycznej. W przyszłości będzie to ukierunkowywać badania nad ludzkimi syntetycznymi embrionami, które z kolei mógłby zapoczątkował rozwój i produkcję materiałów syntetycznych narządy dla pacjentów oczekujących na przeszczep. 

Zarodek jest zwykle rozumiany jako pośrednie stadium rozwojowe w sekwencyjnym naturalnym zjawisku rozmnażania, zapoczątkowanym przez spotkanie plemnika z komórką jajową w celu utworzenia zygoty, która dzieli się, by stać się embrion, a następnie rozwój w płód i noworodka po zakończeniu ciąży.  

Postępy w komórce embrionalnej transfer jądrowy widziałem przypadek pominięcia etapu zapłodnienia komórki jajowej przez plemnik. W 1984 r. embrion został stworzony z jaja, z którego usunięto jego oryginalne jądro haploidalne i zastąpiono jądrem komórki embrionalnej dawcy, która pomyślnie przeszła rozwój w surogacie, aby urodzić pierwszą sklonowaną owcę. Dzięki perfekcyjnemu transferowi jądra komórki somatycznej (SCNT) owca Dolly została stworzona w 1996 roku z dojrzałej dorosłej komórki. Był to pierwszy przypadek sklonowania ssaka z dorosłej komórki. Przypadek Dolly otworzył również możliwość rozwoju spersonalizowanych komórek macierzystych. W obu przypadkach nie użyto plemników, jednak to komórka jajowa (z zastąpionym jądrem) wyrosła na zarodek. Tak więc, jako takie, te zarodki były nadal naturalne.  

Czy można stworzyć embriony bez udziału nawet jaja? Jeśli tak, takie zarodki byłyby syntetyczne do tego stopnia, że ​​nie byłyby wykorzystywane gamety (komórki płciowe). Obecnie takie embriony (lub embriopodobne lub embrioidy) są rutynowo tworzone przy użyciu embrionalnych komórek macierzystych (ESC) i hodowane in vitro w laboratorium.  

Wśród ssaków myszy potrzebują stosunkowo krótkiego czasu (19-21 dni) na rozmnażanie się, co czyni zarodek myszy wygodnym modelem badawczym. Całkowity okres przed implantacją wynosi około 4-5 dni, podczas gdy pozostałe 15 dni (około 75% całości) to okres po implantacji. W celu rozwoju po implantacji zarodek musi zostać zaimplantowany w macicy, co czyni go niedostępnym dla obserwacji z zewnątrz. Ta zależność od macicy matki stanowi barierę w dochodzeniu.    

Rok 2017 był znaczący w historii hodowli zarodków ssaków. Wysiłki zmierzające do stworzenia syntetycznych embrionów myszy przybrały na sile, gdy naukowcy wyraźnie wykazali, że embrionalne komórki macierzyste mają zdolność do samoorganizacji i samoorganizacji in vitro do powstania struktur podobnych do embrionów, które pod wieloma względami przypominają naturalne embriony^1,2. Jednak wynikały z tego ograniczenia maciczny bariery. Hodowla zarodków przedimplantacyjnych jest rutynową czynnością in vitro ale jakakolwiek solidna platforma do hodowli ex-utero zarodków myszy po implantacji (od stadiów cylindra jaja do zaawansowanej organogenezy) była niedostępna. Przełom w rozwiązaniu tego problemu nastąpił w zeszłym roku w 2021 r., kiedy zespół badawczy zaprezentował platformę hodowlaną, która była skuteczna w rozwoju poimplantacyjnego zarodka myszy poza macicą matki. Stwierdzono, że embrion wyhodowany na tej platformie ex utero dokładnie rekapituluje iw macicy rozwój³. Ten rozwój pokonał bariery macicy i umożliwił naukowcom lepsze zrozumienie morfogenezy po implantacji, pomagając w ten sposób w zaawansowanej fazie projektu syntetycznego zarodka. 

Obecnie dwie grupy badawcze zgłosiły, że hodowanie syntetycznego zarodka myszy trwa 8.5 dnia, co jest najdłuższym jak dotąd okresem. To wystarczyło, żeby było wyraźnie widać narządy (takie jak bicie serca, jelito, fałd nerwowy itp.). Ten ostatni postęp jest naprawdę niezwykły.  

Jak doniesiono w Cell z 1 sierpnia 2022 r., zespół badawczy wygenerował syntetyczne zarodki myszy przy użyciu wyłącznie naiwnych embrionalnych komórek macierzystych (ESC) poza macicą matki. Wspólnie zagregowali komórki macierzyste i przetworzyli je przy użyciu niedawno opracowanej platformy hodowlanej przez dłuższy czas ex-macic wzrost w celu uzyskania po gastrulacji syntetycznego całego zarodka z przedziałami zarodkowymi i pozazarodkowymi. Syntetyczny zarodek zadowalająco osiągnął kamienie milowe dla stadium 8.5 dni zarodków mysich. Badanie to podkreśla zdolność naiwnych komórek pluripotencjalnych do samoorganizacji i samoorganizacji oraz modelowania całego zarodka ssaka poza gastrulacją⁴. 

W najnowszym badaniu opublikowanym w Nature 25 sierpnia 2022 r. naukowcy wykorzystali pozaembrionalne komórki macierzyste również do rozszerzenia potencjału rozwojowego embrionalnych komórek macierzystych (ESC). Złożyli syntetyczne zarodki in vitro przy użyciu mysich ESC, TSC i komórek iXEN, które zrekapitulowały naturalny rozwój całego embrionu myszy w macicy do dnia 8.5. Ten syntetyczny zarodek miał określone regiony przodomózgowia i śródmózgowia, strukturę przypominającą bijące serce, pień zawierający cewę nerwową, pączek ogona zawierający prekursory neuromezodermy, przewód jelitowy i pierwotne komórki rozrodcze. Całość znajdowała się w pozaembrionalnym worku⁵. W związku z tym w tym badaniu organogeneza była bardziej zaawansowana i niezwykła w porównaniu z badaniem przedstawionym w Cell z 1 sierpnia 2022 r. Być może użycie dwóch typów pozaembrionalnych komórek macierzystych zwiększyło potencjał rozwojowy embrionalnych komórek macierzystych w tym badaniu. Co ciekawe, we wcześniejszym badaniu wykorzystano tylko naiwne embrionalne komórki macierzyste (ESC).  

Osiągnięcia te są naprawdę niezwykłe, ponieważ jest to jak dotąd najdalszy punkt w badaniach nad syntetycznymi embrionami ssaków. Zdolność do tworzenia mózgu ssaków jest głównym celem biologii syntetycznej. Odtworzenie naturalnego procesu rozwoju embrionalnego po implantacji w laboratorium pokonuje barierę macicy i umożliwia naukowcom badanie najwcześniejszych etapów życia, które normalnie są ukryte w macicy.  

Niezależnie od kwestii etycznych, osiągnięcia w badaniach nad syntetycznymi embrionami myszy staną się w niedalekiej przyszłości kierunkiem badań nad ludzkimi syntetycznymi embrionami, które mogą zapoczątkować rozwój i produkcję syntetycznych narządów dla pacjentów oczekujących na przeszczep.  

*** 

Referencje:  

1. Harrisona SE i wsp 2017. Montaż embrionalnych i pozaembrionalnych komórek macierzystych do naśladowania embriogenezy in vitro. NAUKI ŚCISŁE. 2 marca 2017. Tom 356, wydanie 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Syntetyczne zarodki: Windows do rozwoju ssaków. Komórka Komórka macierzysta. Tom 20, wydanie 5, 4 maja 2017, strony 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Aguilera- Castrejon, A., i in. 2021. Embriogeneza ex utero myszy od pregastrulacji do późnej organogenezy. Natura 593, 119-124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Tarazi S., i el 2022. Syntetyczne zarodki po gastrulacji wytworzone ex utero z mysich naiwnych komórek ESC. Komórka. Opublikowano: 01 sierpnia 2022 r. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Amadei G., i wsp 2022. Zarodki syntetyczne dokonują gastrulacji do neurulacji i organogenezy. Opublikowano: 25 sierpnia 2022. Przyroda. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

***