Forskere har replikert 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 rekapitulerte den naturlige utviklingsprosessen i livmoren frem til dag 8.5. Dette er en milepæl innen syntetisk biologi. I fremtiden vil dette lede studier på syntetiske menneskelige embryoer, som igjen kunne innlede utvikling og produksjon av syntetisk organer for pasienter som venter på transplantasjon.
Et embryo forstås vanligvis som et mellomliggende utviklingsstadium i sekvensielt naturlig reproduksjonsfenomen initiert av sædceller som møter et egg for å danne en zygote, som deler seg for å bli en embryo, etterfulgt av utvikling til et foster og en nyfødt etter fullført svangerskap.
Fremskritt i embryonal celle atomoverføring så tilfellet med å hoppe over trinnet med befruktning av et egg av sædcellene. I 1984 ble et embryo laget av et egg der dens opprinnelige haploide kjerne ble fjernet og erstattet av kjernen til en donor embryonalcelle som vellykket gjennomgikk utvikling i et surrogat for å føde den første klonede babysauen. Med perfeksjonen til Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT), ble sauen Dolly skapt i 1996 fra en moden voksen celle. Dette var det første tilfellet av kloning av et pattedyr fra en voksen celle. Dollys sak åpnet også muligheten for utvikling av personlige stamceller. I begge tilfellene ble ikke sædceller brukt, men det var egget (med den erstattede kjernen) som vokste til å bli embryo. Så som sådan var disse embryoene fortsatt naturlige.
Kan embryoer lages uten involvering av til og med et egg? I så fall vil slike embryoer være syntetiske i den grad at ingen kjønnsceller (kjønnsceller) vil bli brukt. I disse dager lages slike embryoer (eller "embryolignende" eller embryoider) rutinemessig ved bruk av embryonale stamceller (ESC) og dyrkes 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 viktig i pattedyrs embryokulturs historie. Arbeidet med å lage syntetiske museembryoer fikk en føling da forskere tydelig viste at embryonale stamceller har evnen til å sette sammen og selvorganisere seg selv. vitro å gi opphav til embryolignende strukturer som på viktige måter lignet naturlige embryoer1,2. Imidlertid var det begrensninger som følge av livmor barrierer. Det er rutine å dyrke pre-implantasjonsembryo vitro men en hvilken som helst robust plattform for ex-utero-kultur av museembryo etter implantasjon (fra eggsylinderstadier til avansert organogenese) var utilgjengelig. Et gjennombrudd for å ta tak i dette kom i fjor i 2021 da et forskerteam presenterte en kulturplattform som var effektiv for post-implantasjonsutvikling av museembryo utenfor mors livmor. Et embryo dyrket på denne plattformen ex utero ble funnet å presist rekapitulere in livmor utvikling3. Denne utviklingen overvant livmorbarrierer og gjorde det mulig for forskere å bedre forstå post-implantasjonsmorfogenesen og har dermed hjulpet syntetiske embryoprosjekter til et avansert stadium.
Nå har to forskergrupper rapportert dyrking av syntetisk musembryo i 8.5 dager, som er det lengste så langt. Dette var lenge nok til distinkt organer (som bankende hjerte, tarmrør, nevrale fold osv.) å ha utviklet seg. Denne siste fremgangen er virkelig bemerkelsesverdig.
Som rapportert i Cell 1. august 2022, genererte forskerteamet syntetiske museembryoer ved bruk av kun naive embryonale stamceller (ESC) utenfor mors livmor. De co-aggregerte stamcellene og behandlet dem ved å bruke den nylig utviklede kulturplattformen for lengre tid ex-utero vekst for å få post-gastrulasjon syntetisk hele embryo med både embryonale og ekstraembryonale rom. Det syntetiske embryoet oppnådde tilfredsstillende milepæler for 8.5 dagers stadium av museembryoer. Denne studien fremhever evnen til naive pluripotente celler til å selvmontere og selvorganisere og modellere hele pattedyrembryoet utover gastrulering4.
I den siste studien publisert i Nature 25. august 2022, brukte forskerne ekstraembryonale stamceller også for å utvide utviklingspotensialet til embryonale stamceller (ESC). De satt sammen syntetiske embryoer in vitro ved å bruke muse-ESC-er, TSC-er og iXEN-celler som rekapitulerte naturlig hele embryonale utvikling av mus i livmor til dag 8.5. Dette syntetiske embryoet hadde definert forhjerne- og midthjerneregioner, en bankende hjertelignende struktur, en stamme bestående av et nevralrør, en haleknopp som inneholder nevromesodermale stamceller, et tarmrør og primordiale kjønnsceller. Det hele var i en ekstra embryonal sekk5. I denne studien var således organogenese mer avansert og bemerkelsesverdig i forhold til studien som ble rapportert i Cell 1. august 2022. Bruk av to typer ekstra-embryonale stamceller forbedret kanskje utviklingspotensialet til embryonale stamceller i denne studien. Interessant nok ble bare naive embryonale stamceller (ESCs) 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
***
