Forskere har gjenskapt den naturlige prosessen med pattedyrs embryonale utvikling i laboratoriet frem til utviklingen av hjerne og hjerte. Ved hjelp av stamceller skapte forskere syntetiske museembryoer utenfor livmoren som gjenskapte den naturlige utviklingsprosessen i livmoren frem til dag 8.5. Dette er en milepæl innen syntetisk biologi. I fremtiden vil dette veilede studier av menneskelige syntetiske embryoer, som igjen kan innlede utvikling og produksjon av syntetiske organer for pasienter som venter på transplantasjoner.
Et embryo forstås vanligvis som et mellomliggende utviklingsstadium i et sekvensielt naturlig fenomen av reproduksjon, initiert av at sædcelle møter et egg for å danne en zygote, som deler seg for å bli et embryo , etterfulgt av utvikling til et foster og en nyfødt ved fullført svangerskapstid.
Fremskritt innen overføring av embryonale celler har ført til at man hoppet over trinnet med befruktning av et egg med sædcellen. I 1984 ble et embryo laget fra et egg der den opprinnelige haploide kjernen ble fjernet og erstattet av kjernen fra en donorembryonal celle, som vellykket gjennomgikk utvikling i en surrogat for å føde den første klonede sauen. Med perfeksjonen av somatisk cellekjernoverføring (SCNT) ble sauen Dolly laget i 1996 fra en moden voksen celle. Dette var det første tilfellet av kloning av et pattedyr fra en voksen celle. Dollys tilfelle åpnet også opp muligheten for utvikling av personlige stamceller. I begge tilfeller ble ikke sædceller brukt, men det var egget (med den erstattede kjernen) som vokste til å bli et embryo. Så disse embryoene var fortsatt naturlige.
Kan embryoer lages uten involvering av engang et egg? I så fall ville slike embryoer være syntetiske i den grad at ingen gameter (kjønnsceller) ville bli brukt. I dag lages slike embryoer (eller «embryolignende» eller embryoider) rutinemessig ved hjelp av embryonale stamceller (ESC) og dyrkes in vitro i laboratoriet.
Blant pattedyr tar mus en relativt kort periode (19-21 dager) for å formere seg, noe som gjør museembryo til en praktisk studiemodell. Av totalen er pre-implantasjonsperioden ca. 4-5 dager, mens de resterende 15 dagene (ca. 75 % av totalen) er etter implantasjon. For utvikling etter implantasjon, må embryoet implanteres i livmoren, noe som gjør det utilgjengelig for observasjon utenfra. Denne avhengigheten av mors livmor utgjør en barriere i etterforskningen.
Året 2017 var betydningsfullt i historien til pattedyrembryokultur. Arbeidet med å lage syntetiske musembryoer fikk et oppsving da forskere tydelig demonstrerte at embryonale stamceller har evnen til å selvassemblere og selvorganisere in vitro for å gi opphav til embryolignende strukturer som lignet naturlige embryoer på viktige måter 1,2 . Imidlertid var det begrensninger som følge av livmorbarrierer . Det er rutine å dyrke preimplantasjonsembryoer in vitro , men noen robust plattform for ex-utero-kultur av postimplantasjonsmuseembryoer (fra eggsylinderstadier til avansert organogenese) var ikke tilgjengelig. Et gjennombrudd for å løse dette kom i fjor, i 2021, da et forskerteam presenterte en kulturplattform som var effektiv for postimplantasjonsutvikling av museembryoer utenfor mors livmor. Et embryo dyrket på denne plattformen ex utero viste seg å gjenskape i livmor- utviklingen presist 3. Denne utviklingen overvant livmorbarrierer og gjorde det mulig for forskere å bedre forstå postimplantasjonsmorfogenese, og har dermed hjulpet det syntetiske embryoprosjektet med å komme til et avansert stadium.
Nå har to forskningsgrupper rapportert at syntetiske museembryoer har blitt dyrket i 8.5 dager, noe som er det lengste antallet så langt. Dette var lenge nok til at forskjellige organer (som bankende hjerte, tarmrør, nervefold osv.) kunne utvikle seg. Denne siste fremgangen er virkelig bemerkelsesverdig.
Som rapportert i Cell 1. august 2022, genererte forskerteamet syntetiske museembryoer ved kun å bruke naive embryonale stamceller (ESC-er) utenfor mors livmor. De aggregerte stamcellene og bearbeidet dem ved hjelp av den nylig utviklede kulturplattformen for langvarig vekst ex-utero for å få et syntetisk helt embryo etter gastrulering med både embryonale og ekstraembryonale rom. Det syntetiske embryoet oppnådde tilfredsstillende milepæler for 8.5-dagersstadiet hos museembryoer. Denne studien fremhever evnen til naive pluripotente celler til å selvassemblere og selvorganisere og modellere hele pattedyrembryoet utover gastrulering.
I den nyeste studien publisert i Nature 25. august 2022, brukte forskerne også ekstraembryonale stamceller for å utvide utviklingspotensialet til embryonale stamceller (ESC). De satte sammen syntetiske embryoer in vitro ved hjelp av mus-ESC-er, TSC-er og iXEN-celler som gjenskapte den naturlige embryonale utviklingen hos mus i livmoren til dag 8.5. Dette syntetiske embryoet hadde definerte forhjerne- og mellomhjerneområder, en bankende hjertelignende struktur, en stamme bestående av et nevralrør, en haleknopp som inneholdt neuromesodermale progenitorer, et tarmrør og primordiale kimceller. Det hele befant seg i en ekstraembryonal sekk5 . Dermed var organogenesen i denne studien mer avansert og bemerkelsesverdig sammenlignet med studien rapportert i Cell 1. august 2022. Kanskje økte bruken av to typer ekstraembryonale stamceller utviklingspotensialet til embryonale stamceller i denne studien. Interessant nok ble bare naive embryonale stamceller (ESC-er) brukt i den tidligere studien.
Disse prestasjonene er virkelig bemerkelsesverdige siden dette er det fjerneste punktet så langt i studier på syntetiske pattedyrembryoer. Evnen til å lage en pattedyrhjerne har vært et hovedmål for syntetisk biologi. Å gjenskape den naturlige prosessen med post-implantasjon av embryonal utvikling i laboratoriet overvinner livmorbarrieren og gjør det mulig for forskerne å studere de tidligste stadier av livet som normalt er skjult i livmoren.
Til tross for etiske problemer, vil prestasjoner i studier på syntetiske museembryoer lede studier på syntetiske humane embryoer i nær fremtid som kan innlede utvikling og produksjon av syntetiske organer for pasienter som venter på transplantasjon.
***
Referanser:
- Harrison SE et al 2017. Montering av embryonale og ekstraembryonale stamceller for å etterligne embryogenese in vitro. VITENSKAP. 2. mars 2017. Vol. 356, utgave 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810
- Warmflash A. 2017. Synthetic Embryos: Windows into Pattedyrutvikling. Celle Stamcelle. Bind 20, utgave 5, 4. mai 2017, side 581-582. GJØR JEG: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001
- Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Ex utero museembryogenese fra pre-gastrulasjon til sen organogenese. Natur 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
- Tarazi S., et el 2022. Syntetiske embryoer etter gastrulasjon generert ex utero fra mus-naive ESC-er. Celle. Publisert: 01. august 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
- Amadei, G., et al 2022. Syntetiske embryoer fullfører gastrulasjon til neurulation og organogenese. Publisert: 25. august 2022. Nature. GJØR JEG: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
***
