Izraelscy naukowcy stworzyli mysie zarodki wyłącznie z komórek macierzystych skóry, bez udziału plemników czy komórek jajowych. Pierwsze syntetyczne zarodki myszy — wraz z mózgiem i bijącym sercem, rozwinęły się dzięki innowacyjnemu bioreaktorowi. Nowatorska metoda może w przyszłości umożliwić wzrost tkanek i narządów do przeszczepów. Pozwoli też badaczom zagłębić się w mechanizmy rozwojowe i lepiej zrozumieć powstawanie wad wrodzonych.
W badaniach opublikowanych w czasopiśmie „Cell” (DOI: 10.1016/j.cell.2022.07.028) naukowcy z Instytutu Nauki Weizmanna w Izraelu stwierdzili, że znaleźli sposób na samoorganizację mysich komórek macierzystych w struktury przypominające embriony. Wyczyn badaczy został okrzyknięty dużym krokiem naprzód, chociaż niektórzy eksperci stwierdzili, że rezultatu nie można w pełni uznać za embriony.
Naukowcy stworzyli mysie zarodki przy użyciu komórek macierzystych skóry hodowanych na szalce Petriego. Nowatorska metoda badań nad rozwojem embrionów umożliwiła stworzenie syntetycznych modeli zarodków myszy bez udziału plemników czy komórek jajowych. Do rozwoju zarodków badacze skorzystali z innowacyjnego bioreaktora, który pozwolił embrionom przetrwać znacznie dłużej niż we wcześniejszych badaniach. Symulowane embriony rozwinęły anatomię, która pasowała do rzeczywistości. Naukowcy przyznali, że podobieństwa można było dostrzec na poziomie komórkowym – właściwe komórki powstawały we właściwym czasie.
Lider zespołu – Jacob Hanna z Instytutu Nauki Weizmanna przyznał, że embrion jest najlepszą maszyną do wytwarzania narządów, a ich nowa metoda ma na celu naśladowanie tego, co robi. Dodał też, że w następnej kolejności naukowcy zamierzają zrobić to samo z ludzkimi komórkami macierzystymi.
Sztuczne zarodki z komórek macierzystych
Badacze skorzystali ze swoich wcześniejszych badań, w których tworzyli mysie embriony wykorzystując różne komórki macierzyste, w tym embrionalne komórki macierzyste, które pochodzą z normalnych embrionów i mogą tworzyć wszystkie tkanki organizmu. Naśladowali stadium blastocysty – etap w rozwoju zarodka składający się z trofoblastu i węzła zarodkowego. Zarodki używane w procedurze in vitro są w właśnie stadium blastocysty. Jednak te symulowane embriony napotykały na ścianę. Ich komórki zaczynały się specjalizować, ale nie łączyły się w narządy.
Jedną z przeszkód było utrzymywanie takich zarodków przy życiu przez ponad kilka dni. W zeszłym roku Hanna i jego współpracownicy opracowali procedurę, która pozwoliła im hodować standardowe mysie embriony poza ciałem matki przez rekordowe 11 dni (typowa ciąża myszy trwa około 20 dni). Kluczowym sprzętem w nowej procedurze jest inkubator, który nieustannie się obraca i nie pozwala przeczepić się zarodkom do jego ścian. Wewnątrz inkubatora naukowcy umieścili specjalny płyn ze składnikami odżywczymi i czynnikami wzrostu, który miał symulować sposób dostarczania składników odżywczych do łożyska. Taka konfiguracja umożliwia zespołowi precyzyjną kontrolę warunków wzrostu, takich jak poziom tlenu.
Rekord 11 dni poza ciałem matki ustanowiono z zarodkami pochodzącymi z zapłodnionych jaj myszy. Aby ustalić, czy ta sama procedura pozwoliłaby komórkom macierzystym przekształcić się w pełnoprawne embriony podjęli się nowego eksperymentu. Zaczęli od pobrania komórek ze skóry myszy, a następnie „przeprogramowali” je z powrotem do ich najwcześniejszego stadium, kiedy mają one największy potencjał.
Komórki macierzyste zostały następnie umieszczone w inkubatorze. Ogromna większość komórek niczego nie uformowała. Ale około 0,5 proc. wszystkich komórek obecnych w bioreaktorze (około 50 z 10 tys.) zaczęła się samoorganizować, a następnie utworzyły struktury przypominające embriony.
Co więcej, po ośmiu dniach – około jednej trzeciej 20-dniowego okresu ciąży myszy – były bardzo podobne do 8,5-dniowych naturalnych embrionów i posiadały bijące serce, wyraźne zarysy głowy i ogona, segmenty, które stają się mięśniami szkieletowymi, rozwijający się mózg i rdzeń kręgowy oraz początki innych narządów. Naukowcy zmierzyli również aktywność genów w ponad 40 tys. komórek zarodkowych, znajdując wszystkie oczekiwane typy komórek we właściwych lokalizacjach. Zarodki te zostały opisane jako w 95 procentach podobne do normalnych zarodków myszy zarówno pod względem kształtu struktur wewnętrznych, jak i ekspresji genów, co wskazuje, że mogą być funkcjonalne.
Co dalej?
Z nieznanych powodów sztuczne embriony zatrzymały się w ósmym dniu rozwoju. Naukowcy mają nadzieję na pokonanie tej bariery i dalszy rozwój sztucznych zarodków. Embriony pochodzące z komórek macierzystych mają przewagę nad normalnymi embrionami myszy, ponieważ komórki są dostępne w większej liczbie i naukowcy mogą łatwiej nimi manipulować,
Wyzwaniem będzie zrozumienie, w jaki sposób komórki macierzyste wiedzą, co robić i jak samoorganizują się w narządy. – Naszym kolejnym wyzwaniem jest zrozumienie, w jaki sposób komórki macierzyste wiedzą, co robić. W jaki sposób łączą się w narządy i znajdują drogę do wyznaczonych im miejsc w zarodku. A ponieważ nasz system, w przeciwieństwie do macicy, jest przezroczysty, może okazać się przydatny do modelowania wad wrodzonych i implantacji ludzkich embrionów – podkreślił Hanna.
Osiągnięcie tego samego z ludzkimi komórkami macierzystymi może pomóc uniknąć niektórych kontrowersji etycznych związanych z badaniami na ludzkich embrionach. – To zapewnia etyczną i techniczną alternatywę dla wykorzystania embrionów – przyznał Nicolas Rivron z Instytutu Biotechnologii Molekularnej Austriackiej Akademii Nauk.
Potencjalne korzyści
Technika ta może także przydać się do tworzenia personalizowanych narządów do przeszczepu. Badacze mają nadzieję, że pewnego dnia będzie można pobrać chociażby komórki z wątroby pacjenta, użyć ich do wytworzenia komórek macierzystych, wyhodowania syntetycznego zarodka z pożądanym narządem, a następnie przeszczepić go do pacjenta. Wyeliminuje to problemy związane z dopasowaniem odpowiedniego dawcy narządu. – Komórka zostanie pobrana od pacjenta, więc będzie to dokładne to samo DNA. Nie będzie trzeba szukać dawców i nie będzie problemów z odrzuceniem narządu – dodał.
Jednak nie wszyscy naukowcy nazywają osiągnięcie opisane w „Cell” embrionami. Wolą nazywać je „embroidami” – grupą komórek przypominających zarodek. – To nie są embriony – powiedział Laurent David – francuski naukowiec zajmujący się komórkami macierzystymi. Dodał jednak, że badania te są bardzo obiecujące i mogą pozwolić na dalsze eksperymenty, aby dokładnie zrozumieć, jak powstają narządy.
Hanna zaznaczył także, że poza narządami takie embriony mogą również pomóc w identyfikacji nowych celów dla leków i potencjalnie pomóc w znalezieniu rozwiązań szeregu problemów, takich jak utrata ciąży, niepłodność, endometrioza i czy wady rozwojowe płodu.
Źródło: Science, The Science Times, fot. Weizmann Institute of Science. Na zdjęciu pokazany rozwój syntetycznego zarodka w ciągu 8 dni.