Naukowcy z Cambridge rozwijają „syntetyczny” zarodek z mózgiem i bijącym sercem

Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge stworzyli syntetyczne modele embrionów z mózgiem, bijącym sercem, z potencjałem do wyhodowania innych narządów z mysich komórek macierzystych. Badania są reklamowane jako nowy sposób na odtworzenie pierwszych etapów życia.

Zespół naukowców kierowany przez profesor Magdalenę Zernicką-Goetz wykorzystał komórki macierzyste do opracowania modelu zarodka, a nie komórki jajowe czy plemniki. Komórki macierzyste to komórki macierzyste, które mogą rozwinąć się w prawie każdy inny typ komórek w ciele.

Modelowe embriony, takie jak te hodowane przez naukowców, mogą pomóc w lepszym zrozumieniu, dlaczego niektóre embriony rozwijają się w zdrową ciążę, a inne nie. Wyniki mogą być również wykorzystane do kierowania naprawą i rozwojem syntetycznych narządów ludzkich do wykorzystania w przeszczepach.

Aby stworzyć zarodki, naukowcy naśladowali naturalne procesy kierujące trzema typami komórek macierzystych znalezionymi we wczesnym rozwoju ssaków, dopóki nie zaczną one wchodzić w interakcje. Naukowcy mogliby skłonić komórki macierzyste do "porozumiewania się" ze sobą, manipulując genami i tworząc odpowiednie środowisko dla komórek.

Stamtąd komórki macierzyste zorganizowały się w struktury, które rozwinęły bijące serca i podstawy mózgu. Wyhodowali również woreczek żółtkowy, z którego embriony pobierają składniki odżywcze w ciągu pierwszych kilku tygodni życia.

Po pierwszych badaniach embriony te osiągnęły punkt, w którym zaczął się rozwijać cały mózg, łącznie z przednią częścią. Żaden inny model oparty na komórkach macierzystych nigdy nie osiągnął tego etapu.

Grupa prof. Zernickiej-Goetz w Cambridge od dziesięciu lat bada te najwcześniejsze etapy ciąży. Chcą zrozumieć, dlaczego niektóre ciąże kończą się niepowodzeniem, a inne odnoszą sukces.

„Model zarodka komórek macierzystych jest ważny, ponieważ zapewnia nam dostęp do rozwijającej się struktury na etapie, który zwykle jest przed nami ukryty ze względu na implantację maleńkiego zarodka do macicy matki” – powiedziała Zernicka-Goetz. „Ta dostępność pozwala nam manipulować genami, aby zrozumieć ich role rozwojowe w modelowym systemie eksperymentalnym”.

„Nasz model embrionu myszy rozwija nie tylko mózg, ale także bijące serce, wszystkie składniki, z których składa się ciało” – powiedziała profesor Zernicka-Goetz, która jest profesorem w dziedzinie rozwoju ssaków i biologii komórek macierzystych na Wydziale Fizjologia, Rozwój i Neuronauka. „To niewiarygodne, że zaszliśmy tak daleko. To było marzenie naszej społeczności od lat i główny cel naszej pracy od dekady, aż w końcu to zrobiliśmy”.

Aby ludzki embrion mógł się pomyślnie rozwijać, tkanki, które staną się embrionem i tkanki, które połączą embrion z matką, muszą mieć „dialog”. W pierwszym tygodniu po zapłodnieniu rozwijają się trzy typy komórek macierzystych: jeden, który stanie się tkankami organizmu, oraz dwa, które wspomagają rozwój zarodka.

Jedną z tkanek wspierających rozwój zarodka jest łożysko, które łączy płód z matką i dostarcza tlenu oraz składników odżywczych. Drugi to woreczek żółtkowy, w którym zarodek rośnie i pobiera składniki odżywcze we wczesnym okresie rozwoju.

Wiele ciąż kończy się niepowodzeniem w momencie, gdy trzy rodzaje komórek macierzystych zaczynają wysyłać do siebie sygnały chemiczne i mechaniczne. Profesor Zernicka-Goetz, również profesor biologii i inżynierii biologicznej w Caltech, wyjaśniła: „W tym czasie wiele ciąż kończy się niepowodzeniem, zanim większość kobiet zdaje sobie sprawę, że jest w ciąży. Ten okres jest podstawą wszystkiego, co następuje w ciąży. Jeśli coś pójdzie nie tak, ciąża się nie powiedzie”.

Naukowcy odkryli, że komórki pozazarodkowe przekazują komórkom embrionalnym sygnały chemiczne. Komunikują się również mechanicznie lub poprzez dotyk, aby kierować rozwojem zarodka.

„Ten okres ludzkiego życia jest tak tajemniczy, że można zobaczyć, jak to się dzieje w naczyniu – mieć dostęp do tych pojedynczych komórek macierzystych, zrozumieć, dlaczego tak wiele ciąż kończy się niepowodzeniem i jak możemy temu zapobiec – jest dość wyjątkowy” – powiedziała Zernicka-Goetz. „Przyjrzeliśmy się dialogowi, który musi zachodzić między różnymi typami komórek macierzystych w tym czasie – pokazaliśmy, jak to się dzieje i jak może się nie udać”.

Model jest również pierwszym, który sygnalizuje rozwój przedniej części mózgu, a nawet całego mózgu. „To otwiera nowe możliwości badania mechanizmów neurorozwoju w modelu eksperymentalnym” – powiedziała Zernicka-Goetz.

„W rzeczywistości demonstrujemy dowód tej zasady w artykule, usuwając gen, o którym już wiadomo, że jest niezbędny do tworzenia cewy nerwowej, prekursora układu nerwowego oraz do rozwoju mózgu i oczu. W przypadku braku tego genu, syntetyczne zarodki wykazują dokładnie znane defekty w rozwoju mózgu, jak u zwierzęcia niosącego tę mutację. Oznacza to, że możemy zacząć stosować tego rodzaju podejście do wielu genów o nieznanej funkcji w rozwoju mózgu”.

Obecne badania przeprowadzono na modelach mysich, ale naukowcy opracowują podobne modele ludzkie. Można je wykorzystać do wygenerowania określonych typów narządów, aby zrozumieć procesy, których w innym przypadku nie dałoby się zbadać w prawdziwych embrionach.

Obecnie prawo brytyjskie zezwala na badanie embrionów ludzkich w laboratorium tylko do 14 dnia rozwoju. Jeśli metody opracowane przez zespół Zernickiej-Goetz okażą się skuteczne w przypadku ludzkich komórek macierzystych w przyszłości, można je również wykorzystać do kierowania rozwojem syntetycznych narządów dla pacjentów oczekujących na przeszczep.

Zernicka-Goetz powiedziała: „Na całym świecie jest tak wielu ludzi, którzy latami czekają na przeszczepy narządów. To, co sprawia, że ​​nasza praca jest tak ekscytująca, to fakt, że wiedza z niej wynikająca może zostać wykorzystana do wyhodowania prawidłowych syntetycznych narządów ludzkich, aby ratować życie, które obecnie jest stracone. Powinno być również możliwe wpływanie na dorosłe organy i ich leczenie, wykorzystując wiedzę, którą posiadamy na temat ich powstawania”.

Dodała: „To niesamowity krok naprzód i pochłonęło 10 lat ciężkiej pracy wielu członków mojego zespołu – nigdy nie sądziłem, że dotrzemy w to miejsce. Nigdy nie myślisz, że twoje marzenia się spełnią, ale tak się stało.

Przeczytaj całą historię tutaj…