Naukowcy z Cambridge oraz z Caltech wyhodowali mysi embrion bez udziału plemników czy komórek jajowych. W swoich eksperymentach skorzystali jedynie z komórek macierzystych. Zarodki rosły przez 8,5 dnia, wystarczająco długo, aby mogły rozwinąć się niektóre narządy – bijące serce a nawet zalążek mózgu.
Opublikowane w czasopiśmie „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-022-05246-3) prace naukowców z University of Cambridge oraz California Institute of Technology (Caltech) mogą przyczynić się do postępu w badaniach nad płodnością, a nawet umożliwić nam wzrost tkanek i narządów do przeszczepów. Pozwolą też uczonym zagłębić się w mechanizmy rozwojowe i lepiej zrozumieć powstawanie wad wrodzonych.
Na początku tego miesiąca naukowcy z Izraela opublikowali podobne odkrycia. Udało im się wyhodować mysie zarodki z komórek macierzystych skóry. Embriony rozwijały się również przez 8,5 dnia i także powstały u nich bijące serca oraz zalążki mózgu (więcej na ten temat w tekście: Zarodki myszy wyhodowane z komórek macierzystych skóry). Zresztą jednym z współautorów nowej publikacji jest Jacob Hanna, główny autor pracy opublikowanej na początku sierpnia. W nowych badaniach uczeni posłużyli się też inkubatorem opracowanym przez badaczy z Izraela.
Model zarodka został opracowany bez komórek jajowych i plemników. Zamiast tego naukowcy kierowali rozwojem trzech rodzajów komórek macierzystych z wczesnych stadiów rozwoju do punktu, w którym zaczęły one wchodzić ze sobą w interakcje. Jeden typ komórek macierzystych dał początek zarodkowi, podczas gdy pozostałe dwa przekształciły się w tkanki łożyska i worek żółtkowy.
Aby embrion mógł się pomyślnie rozwijać, musi istnieć „dialog” między tkankami, które staną się embrionem, a tkankami, które połączą embrion z matką. W pierwszym tygodniu po zapłodnieniu rozwijają się wspomniane trzy typy komórek macierzystych: jeden stanie się ostatecznie tkankami organizmu, a pozostałe dwa będą wspomagać rozwój zarodka. Jeden z tych dwóch ostatnich typów stanie się łożyskiem, które łączy płód z matką i dostarcza tlen i składniki odżywcze. Drugi stanie się woreczkiem żółtkowym, w którym zarodek rośnie i z którego we wczesnym okresie rozwoju otrzymuje składniki odżywcze.
Podczas eksperymentu naukowcy obserwowali, jak te trzy typy komórek macierzystych wchodzą w interakcje i fizycznie łącząc się ze sobą w szklanych fiolkach. Indukując ekspresję określonego zestawu genów i tworząc unikalne środowisko dla tych interakcji, naukowcy byli w stanie skłonić komórki macierzyste do „komunikowania się” ze sobą.
Komórki macierzyste samoorganizowały się w struktury, które przechodziły przez kolejne etapy rozwojowe, aż po 8 dniach syntetyczne zarodki miały cewy nerwowe, przewód pokarmowy, bijące serca i fundamenty mózgu, z dobrze zdefiniowanymi podsekcjami, w tym przodomózgowia i śródmózgowia, a także woreczek żółtkowy, w którym zarodek się rozwija i z którego otrzymuje składniki odżywcze w pierwszych tygodniach. Jest to najbardziej zaawansowany etap rozwoju osiągnięty do tej pory w modelu opartym na komórkach macierzystych. Zarodki rozwijały się przez 8,5 dnia – to prawie połowa długości typowej ciąży myszy (zwykle trwa około 20 dni).
Proces jest daleki od doskonałości. Tylko niewielka część komórek rozwija wspomniane wyżej cechy. Jednak prace nadal stanowią duży postęp, który pomoże naukowcom zobaczyć rozwój narządów w niespotykanych dotąd szczegółach.
W eksperymentach udział wzięła Polka - prof. Magdalena Żernicka-Goetz z University of Cambridge oraz California Institute of Technology, która od lat zajmuje się badaniem mechanizmów rozwoju ssaków i ich zarodków.
- To było marzenie naszej społeczności od lat i główny cel naszej dziesięcioletniej pracy i wreszcie to zrobiliśmy – powiedziała Zernicka-Goetz. - To otwiera nowe możliwości badania mechanizmów neurorozwoju w modelu eksperymentalnym. Udowadniamy to w publikacji, 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 embriony wykazują znane nam 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. Nasz model embrionu myszy rozwija nie tylko mózg, ale także bijące serce, wszystkie składniki, z których składa się ciało. To po prostu niewiarygodne, że zaszliśmy tak daleko - podkreśliła.
Zespół, którym kierowała Zernicka-Goetz przeprowadził eksperyment, w którym wyeliminował gen o nazwie Pax6, który odgrywa kluczową rolę w rozwoju mózgu. Kiedy wyeliminowali ten gen, głowy myszy nie rozwinęły się prawidłowo, naśladując to, co dzieje się w naturalnych embrionach pozbawionych tego genu. Wynik pokazuje, jak ujęła to Zernicka-Goetz, „że system jest rzeczywiście funkcjonalny”.
Dla naukowców takie syntetyczne modele mają wiele zalet w porównaniu z naturalnymi embrionami tworzonymi z komórek jajowych i nasienia. Ponieważ rosną poza macicą, są znacznie łatwiejsze do obserwowania. Łatwiej też nimi manipulować za pomocą narzędzi do edycji genomu. Dzięki temu mogą być przydatne do odkrywania roli różnych genów w wadach wrodzonych lub zaburzeniach rozwojowych. Hanna ma nadzieję, że wykorzysta tę technikę do opracowania ludzkich syntetycznych embrionów, które mogą być źródłem nowych narządów i tkanek dla osób, które ich potrzebują. Z kolei Zernicka-Goetz planuje wykorzystać ten model, aby zrozumieć, dlaczego niektóre ciąże kończą się niepowodzeniem.
- Ten okres ludzkiego życia jest bardzo tajemniczy, dlatego możliwość obserwowania, jak to się dzieje, dostęp do pojedynczych komórek macierzystych, w celu lepszego zrozumienia, dlaczego tak wiele ciąż kończy się niepowodzeniem i jak można temu zapobiec — jest całkiem wyjątkowy - powiedziała Zernicka-Goetz. - Ten wczesny okres jest podstawą wszystkiego, co następuje w ciąży. Jeśli coś pójdzie nie tak, ciąża się nie powiedzie – dodała.
Zarówno w badaniach izraelskiego zespołu, jak i grupy, w którą kierowała Zernicka-Goetz, powstałe syntetyczne zarodki bardzo przypominały naturalne zarodki, aczkolwiek z pewnymi niewielkimi różnicami i defektami w samoorganizacji tkanek. Jednak w obu eksperymentach bardzo niski odsetek komórek macierzystych faktycznie dał początek zarodkom, co sugeruje, że można poprawić wydajność obu systemów. Ponadto żaden zestaw syntetycznych embrionów nie przetrwał do dziewiątego dnia rozwoju — przeszkoda, którą należałoby pokonać w dalszych badaniach. Przyczyna blokady dalszego rozwoju jest niejasna, ale może dotyczyć wad w tworzeniu niektórych typów komórek łożyska.
W ciągu ostatniej dekady zespół Zernickiej-Goetz badał te najwcześniejsze etapy ciąży, aby zrozumieć, dlaczego niektóre ciąże się nie powiodły, a inne odniosły sukces.
Chociaż obecne badania prowadzono na modelach mysich, naukowcy opracowują analogiczny model rozwoju ludzkiego embrionu, aby zrozumieć mechanizmy stojące za kluczowymi procesami, których w innym przypadku nie można byłoby zbadać na prawdziwych embrionach.
- Model zarodka komórek macierzystych jest ważny, ponieważ zapewnia nam dostęp do rozwijającej się struktury na etapie, który zwykle jest przed nami ukryty z powodu implantacji maleńkiego zarodka do macicy matki. Ta dostępność pozwala nam manipulować genami, aby zrozumieć ich role rozwojowe w modelowym systemie eksperymentalnym - powiedziała Zernicka-Goetz.
Źródło: California Institute of Technology, Live Science, Nature, fot. M. Zernicka-Goetz
