Syntetisk musefoster med hjerne og bankende hjerte dyrket fra stamceller

Forskere fra University of Cambridge og Caltech har skabt modelmuseembryoner fra stamceller – kroppens masterceller, som kan udvikle sig til næsten enhver celletype i kroppen – som har bankende hjerter, såvel som grundlaget for en hjerne og alle de andre organer i musekroppen.

Resultaterne er kulminationen på mere end ti års forskning, og de kan hjælpe forskere med at forstå, hvorfor nogle embryoner svigter, mens andre udvikler sig til et foster som en del af en sund graviditet. Derudover kunne resultaterne bruges til at guide reparation og udvikling af syntetiske menneskelige organer til transplantation.

Forskningen blev udført i laboratoriet hos Magdalena Zernicka-Goetz, Bren professor i biologi og biologisk teknik ved Caltech. Zernicka-Goetz er også professor i pattedyrs udvikling og stamcellebiologi i Cambridges afdeling for fysiologi, udvikling og neurovidenskab. Et papir, der beskriver gennembruddet, vises i tidsskriftet Nature den 25. august.

Embryomodellen blev udviklet uden æg eller sæd. I stedet efterlignede forskerne naturlige processer i laboratoriet ved at lede de tre typer stamceller, der findes i tidlig pattedyrs udvikling, til det punkt, hvor de begynder at interagere. Ved at inducere ekspressionen af ​​et bestemt sæt gener og etablere et unikt miljø for deres interaktioner, var forskerne i stand til at få stamcellerne til at "tale" med hinanden.

Stamcellerne selvorganiserede sig i strukturer, der udviklede sig gennem de på hinanden følgende udviklingsstadier, indtil de syntetiske embryoner havde bankende hjerter og grundlaget for en hjerne, samt blommesækken, hvor embryonet udvikler sig, og hvorfra det modtager næringsstoffer i de første uger. Dette er det mest avancerede udviklingstrin, der er opnået til dato i en stamcelle-afledt model.

Et stort fremskridt i denne undersøgelse er evnen til at generere hele hjernen, især den forreste region, som har været en "hellig gral" i udviklingen af ​​syntetiske embryoner.

"Dette åbner nye muligheder for at studere mekanismerne for neuroudvikling i en eksperimentel model," siger Zernicka-Goetz. "Faktisk demonstrerer vi beviset for dette princip i papiret ved at slå et gen ud, der allerede er kendt for at være essentielt for dannelsen af ​​neuralrøret, forløber for nervesystemet og for udvikling af hjerne og øjne. I fravær af dette gen. , viser de syntetiske embryoner præcis de kendte defekter i hjernens udvikling som hos et dyr, der bærer denne mutation. Det betyder, at vi kan begynde at anvende denne form for tilgang til de mange gener med ukendt funktion i hjernens udvikling."

"Vores museembryomodel udvikler ikke kun en hjerne, men også et bankende hjerte, alle de komponenter, der fortsætter med at udgøre kroppen," forklarer hun. "Det er bare utroligt, at vi er nået så langt. Dette har været drømmen for vores samfund i årevis og det store fokus for vores arbejde i et årti, og endelig har vi gjort det."

For at et menneskeligt embryo kan udvikle sig med succes, skal der være en "dialog" mellem det væv, der bliver til embryoet, og det væv, der forbinder fosteret med moderen. I den første uge efter befrugtningen udvikler der sig tre typer stamceller:Den ene vil med tiden blive til kroppens væv, og de to andre vil støtte embryonets udvikling. En af disse to sidstnævnte typer, kendt som ekstraembryonale stamceller, bliver placenta, som forbinder fosteret med moderen og giver ilt og næringsstoffer. Den anden bliver blommesækken, hvor embryonet vokser, og hvorfra det modtager næringsstoffer i den tidlige udvikling.

Mange graviditeter mislykkes på det tidspunkt, hvor de tre typer stamceller begynder at sende mekaniske og kemiske signaler til hinanden, som fortæller embryoet, hvordan det skal udvikle sig korrekt.

"Denne tidlige periode er grundlaget for alt andet, der følger i graviditeten," siger Zernicka-Goetz. "Hvis det går galt, vil graviditeten mislykkes."

I løbet af det sidste årti har Zernicka-Goetz' team studeret disse tidligste stadier af graviditeten for at forstå, hvorfor nogle graviditeter mislykkes, og nogle lykkes.

"Stamcelleembryomodellen er vigtig, fordi den giver os adgang til den udviklende struktur på et stadium, der normalt er skjult for os på grund af implantationen af ​​det lille embryo i moderens livmoder," siger Zernicka-Goetz. "Denne tilgængelighed giver os mulighed for at manipulere gener for at forstå deres udviklingsroller i et modeleksperimentelt system."

For at vejlede udviklingen af ​​deres syntetiske embryo, sammensatte forskerne dyrkede stamceller, der repræsenterer hver af de tre typer væv og lod dem udvikle sig i proportioner og et miljø, der fremmer deres vækst og kommunikation med hinanden, hvilket fører til deres eventuelle selv- samles til et embryo.

Forskerne fandt ud af, at de ekstraembryonale celler signalerer til embryonale celler gennem kemiske signaler, men også mekanisk eller gennem berøring, der styrer fosterets udvikling.

"Denne periode af menneskets liv er så mystisk, så at være i stand til at se, hvordan det sker i en ret - at have adgang til disse individuelle stamceller, at forstå, hvorfor så mange graviditeter mislykkes, og hvordan vi måske kan forhindre, at det sker -er ret speciel," siger Zernicka-Goetz. "Vi så på den dialog, der skal ske mellem de forskellige typer stamceller på det tidspunkt - vi har vist, hvordan det opstår, og hvordan det kan gå galt."

Mens den nuværende forskning blev udført i musemodeller, udvikler forskerne en analog model for menneskelig embryoudvikling for at forstå mekanismer bag afgørende processer, som ellers ville være umulige at studere i rigtige embryoner.

Hvis disse metoder viser sig at være succesrige med menneskelige stamceller i fremtiden, kan de også bruges til at guide udviklingen af ​​syntetiske organer til patienter, der venter på transplantation. "Der er så mange mennesker rundt om i verden, der venter i årevis på organtransplantationer," siger Zernicka-Goetz. "Det, der gør vores arbejde så spændende, er, at den viden, der kommer ud af det, kunne bruges til at dyrke korrekte syntetiske menneskelige organer for at redde liv, der i øjeblikket går tabt. Det burde også være muligt at påvirke og helbrede voksne organer ved at bruge den viden, vi har om hvordan de er lavet."

Artiklen har titlen "Stamcelle-afledte museembryoner udvikles i en ekstra-embryonal blommesæk til at danne forreste hjerneområder og et bankende hjerte." De første forfattere er Gianluca Amadei og Charlotte Handford fra University of Cambridge. + Udforsk yderligere

Forskere bygger embryo-lignende strukturer fra menneskelige stamceller