Stamcelleplatformen kaster nyt lys over begyndelsen af ​​menneskelig udvikling

Forskere ved University of Torontos Medicine By Design har udviklet en ny platform til at studere de tidligste stadier af menneskelig udvikling i laboratoriet, trækker gardinet tilbage for vigtige biologiske processer, der indtil nu har fundet sted inde i livmoderen, hinsides forskernes blik.

Menes at være den første af sin slags i Canada, teknologien gør det muligt for menneskelige embryonale stamceller at selvorganisere sig i en struktur med embryo-lignende træk, herunder de tidlige forstadier til organer såsom hjernen, hjertet og leveren.

Forskere, der søger at behandle sygdomme ved at udnytte den menneskelige krops evne til selvfornyelse, har længe forsøgt at forstå disse processer, fordi de mener, at de har indsigter, der kan være afgørende for at fremme nye regenerative medicinske behandlinger. Men tekniske forhindringer, etiske bekymringer og juridiske restriktioner har forhindret dem i at studere disse afgørende udviklingsstadier i menneskelige embryoner i laboratoriet. Det er derfor, forskerne henvender sig til stamcellebioteknologi for at få svar.

"Da det er en kunstig, konstrueret miljø, der kan efterligne nogle af de grundlæggende organiseringsprincipper, som vi mener er vigtige for menneskelig embryoudvikling, vores platform har potentialet til at afhjælpe nogle af de udfordringer, der er forbundet med at studere menneskelige embryoner i laboratoriet, og give meget nyttige tip til, hvordan de indledende stadier af menneskelig udvikling starter, " sagde Mukul Tewary, en ph.d.-kandidat ved U of T's Institute of Biomaterials &Biomedical Engineering (IBBME). Han er hovedforfatter på et papir, der beskriver platformen, der udkommer i november i et særnummer af Udvikling og er blevet forudgivet på tidsskriftets hjemmeside.

"At vide dette kan ikke kun give os indsigt fra et grundlæggende biologisk synspunkt om, hvordan vi bliver til, men også give nøgleinformation, der kan være meget værdifuld inden for regenerativ medicin som helhed, " sagde Tewary.

Mens nogle få undersøgelser i USA tidligere har vist "syntetisk" embryomønster, Tewarys platform fremmer teknologien på vigtige måder, som han mener vil gøre det muligt for forskere at begynde at teste antagelser, de har lavet om tidlig menneskelig udviklingsbiologi baseret på dyrestudier og matematisk modellering. Ultimativt, forskere håber, at denne information kan bringe dem tættere på et langvarigt mål for regenerativ medicin:at bruge stamceller til at dyrke nye væv og organer i laboratoriet for at erstatte dem, der er blevet beskadiget af sygdom.

Men videnskabsmænd, etikere og politiske beslutningstagere bliver nødt til at navigere i de vanskelige spørgsmål, som disse nye platforme rejser. "Indtil for nylig, det var ikke noget bioetikere selv havde overvejet, " sagde Tewary.

Menneskelige embryo-lignende strukturer har intet potentiale til at udvikle sig til mennesker, fordi de opstår fra et ark af menneskelige embryonale stamceller, snarere end fra et æg, der er blevet befrugtet af en sædcelle. Ikke desto mindre, deres fremkomst udfordrer vores definition af, hvad et embryo er.

Indtil for nylig, det var ikke teknisk muligt for forskere at holde menneskelige embryoner i live i en skål ud over det punkt, hvor de normalt ville implanteres i livmoderen - cirka syv dage efter befrugtningen. Selv hvis de kunne forblive levedygtige efter dette punkt, en årtier gammel international juridisk og regulatorisk konsensus, nedfældet i Canada i loven om assisteret menneskelig reproduktion, forbyder videnskabsmænd at dyrke intakte menneskelige embryoner i laboratoriet ud over 14 dage. Det er, når embryoet begynder at selvorganisere sig langs en hoved-til-hale-akse kendt som den primitive streak, og lige før gastrulation, når den enkeltlagede skive af celler kaldet epiblasten danner tre adskilte lag, der til sidst bliver til forskellige typer organer.

Bioetikere og videnskabsmænd slog sig ned på tærsklen på 14 dage, fordi de ønskede at stoppe væksten af ​​laboratoriedyrkede embryoner, før forstadierne til hjerneceller overhovedet kunne begynde at dannes. omgå debatter om, hvornår bevidsthed og evnen til at føle smerte begynder.

Nylige fremskridt gør det muligt for forskere at dyrke menneskelige embryoner i en skål i længere perioder, knap 14 dage. Denne udvikling, sammen med skabelsen af ​​konstruerede platforme, der giver anledning til stamcelle-afledte, embryo-lignende strukturer, har "sat menneskelig udviklingsbiologi på kollisionskurs med '14-dages reglen', " advarede en kommentar sidste år i Nature. Eller, som en nylig overskrift i MIT Review of Technology udtrykte det, "Kunstige menneskelige embryoner kommer, og ingen ved, hvordan de skal håndtere dem."

Forskere er der ikke endnu, men fremskridt sker hurtigt. I løbet af de seneste tre år har flere forskerhold har modelleret tidlig embryonal udvikling i laboratoriet ved at placere menneskelige embryonale stamceller på mikromønstrede overflader, som giver dem mulighed for at kontrollere, hvor og hvordan cellerne klæber. De brugte derefter forskellige medier til at fremkalde vækst og differentiering.

Platformen udviklet af Tewary og kolleger i laboratorierne hos universitetsprofessor Peter Zandstra og IBBME-lektor Rodrigo Fernandez-Gonzalez forbedrer dette arbejde på to måder. Forskerholdet brugte ultraviolet lys litografi til at overføre mikromønstre til en polymerbeklædt plade, øge effektiviteten og robustheden af ​​mønsterprocessen sammenlignet med andre teknikker. Og i modsætning til andre platforme, deres er høj gennemstrømning, gør dem i stand til at skabe mange tusinde embryo-lignende strukturer og teste deres reaktioner på en række forskellige forhold i hvert eksperiment.

Begge innovationer har givet dem mulighed for med større præcision at identificere de signaler og signaler, der driver tidlig udvikling i menneskelige embryoner. Tewary undersøger nu, hvordan andre udviklingshændelser, såsom neurale mønstre, kan lokkes ud af systemet. De kunne give indsigt i gastrulation, hvilket sker omkring 14 dage efter befrugtning, rejser spørgsmål om, hvordan man kan balancere etiske og juridiske overvejelser med opdagelser, der fundamentalt kan transformere videnskab og medicin.

Efterhånden som disse konstruerede platforme bliver mere sofistikerede, forskere og bioetikere har rejst bekymring for, at de nuværende regler omkring embryoforskning kan være utilstrækkelige til, hvad der kan ligge forude, især hvis embryo-lignende strukturer afledt af stamceller begynder at vise karakteristika, der dukker op i menneskelige embryoner i god tid efter de første 14 dages udvikling.

Nogle efterlyser en bred international diskussion om, hvorvidt 14-dages reglen skal tages op igen. Sidste år, International Society for Stem Cell Research opdaterede sine retningslinjer for stamcelleforskning for at "erkende, at udviklingen af ​​stadig mere komplekse in vitro-modeller af tidlige stadier af menneskelig udvikling bør gennemgå en specialiseret gennemgang."

Andre hævder, at det måske ikke er nok at justere 14-dages reglen. Tidligere i år, forskere ved Harvard Medical School og University of Groningen hævdede, at forsøg på at foregribe fremkomsten af ​​"moralsk relevante træk" baseret på udviklingsmæssige milepæle, såsom den primitive streak, vil ikke i tilstrækkelig grad adressere embryo-lignende strukturer, der kan springe trin over eller udvikle sig langs forskellige tidslinjer. De foreslog, i stedet, at etiske grænser bør "baseres så direkte som muligt på genereringen af ​​sådanne funktioner, "med forskere og bioetikere, der arbejder sammen om at udvikle reglerne.

Men selv når der er opnået konsensus, ændringer kan være år undervejs givet det internationale kludetæppe af love og videnskabelige retningslinjer, der styrer embryoforskning.

Zandstra, Tewarys vejleder, sagde, at han er begejstret for de nye muligheder for at besvare fundamentale biologiske spørgsmål og lave organlignende strukturer, som denne platform åbner, samt de muligheder, det giver for bredere diskussion.

"Det katalyserer interessante og vigtige juridiske, sociale og etiske samtaler, der er afgørende for Canada at se og føre i, sagde Zandstra, som har Canada Research Chair i Stem Cell Bioengineering og er også direktør for Michael Smith Laboratories og School of Biomedical Engineering ved University of British Columbia. "Som bioingeniør, der er ikke meget mere, du kan bede om fra et projekt."

Særnummeret af Udvikling fejrer 100-året for udgivelsen af ​​D'Arcy Thompsons Om vækst og form , en banebrydende bog om anvendelsen af ​​matematik til biologi, udkommer den 28. november.