Znanstveniki so v laboratoriju posnemali naravni proces embrionalnega razvoja sesalcev do točke razvoja možganov in srca. Z uporabo izvornih celic so raziskovalci ustvarili sintetične mišje zarodke zunaj maternice, ki so povzeli naravni proces razvoja v maternici do 8.5. To je mejnik v sintetični biologiji. V prihodnosti bo to usmerjalo študije o človeških sintetičnih zarodkih, ki pa bodo bi začetnik razvoja in proizvodnje sintetičnih organov za bolnike, ki čakajo na presaditev.
Zarodek običajno razumemo kot vmesno razvojno stopnjo v zaporednem naravnem pojavu razmnoževanja, ki ga sproži srečanje sperme z jajčecem, da se oblikuje zigota, ki se deli in postane zarodkov, čemur sledi razvoj v plod in novorojenčka po zaključku gestacije.
Napredek v embrionalni celici jedrski prenos videl primer preskoka koraka oploditve jajčeca s spermo. Leta 1984 je bil zarodek ustvarjen iz jajčeca, v katerem je bilo prvotno haploidno jedro odstranjeno in nadomeščeno z jedrom donorske embrionalne celice, ki se je uspešno razvila v nadomestku, da bi rodila prvega kloniranega mladiča ovce. S popolnostjo jedrskega prenosa somatskih celic (SCNT) je bila leta 1996 iz zrele odrasle celice ustvarjena ovčka Dolly. To je bil prvi primer kloniranja sesalca iz odrasle celice. Dollyin primer je odprl tudi možnost razvoja personaliziranih izvornih celic. V obeh primerih sperma ni bila uporabljena, vendar je jajčece (z nadomeščenim jedrom) zraslo v zarodek. Torej so bili ti zarodki kot taki še vedno naravni.
Bi lahko zarodke ustvarili brez vpletenosti celo jajčeca? Če je tako, bi bili taki zarodki sintetični do te mere, da ne bi bile uporabljene nobene gamete (spolne celice). Dandanes se takšni zarodki (ali "zarodkom podobni" ali embrioidi) rutinsko ustvarjajo z uporabo embrionalnih matičnih celic (ESC) in gojijo in vitro v laboratoriju.
Pri sesalcih miši potrebujejo razmeroma kratek čas (19-21 dni), da se razmnožijo, zaradi česar je mišji zarodek primeren študijski model. Od celotnega obdobja je predimplantacijsko obdobje približno 4-5 dni, preostalih 15 dni (približno 75% celotnega) pa po implantaciji. Za postimplantacijski razvoj se mora zarodek vsaditi v maternico, zaradi česar je nedostopen za zunanje opazovanje. Ta odvisnost od materine maternice predstavlja oviro pri preiskavi.
Leto 2017 je bilo pomembno v zgodovini kulture zarodkov sesalcev. Prizadevanja za ustvarjanje sintetičnih mišjih zarodkov so se okrepila, ko so raziskovalci jasno pokazali, da imajo embrionalne matične celice sposobnost samosestavljanja in samoorganiziranja in vitro za nastanek zarodkov podobnih struktur, ki so bile v pomembnih pogledih podobne naravnim zarodkom1,2. Vendar pa so izhajale omejitve maternice ovire. Gojenje zarodka pred implantacijo je rutinsko in vitro vendar nobena robustna platforma za ex-utero kulturo po implantacijskem mišjem zarodku (od faz jajčnega valja do napredne organogeneze) ni bila na voljo. Preboj pri reševanju tega se je zgodil lani leta 2021, ko je raziskovalna skupina predstavila kulturno platformo, ki je bila učinkovita za postimplantacijski razvoj mišjega zarodka zunaj materine maternice. Ugotovljeno je bilo, da zarodek, vzgojen na tej platformi ex utero, natančno povzema in utero Razvoj3. Ta razvoj je premagal maternične ovire in raziskovalcem omogočil boljše razumevanje postimplantacijske morfogeneze ter tako pomagal, da je projekt sintetičnega zarodka prišel v napredno fazo.
Zdaj sta dve raziskovalni skupini poročali o gojenju sintetičnega mišjega zarodka 8.5 dni, kar je najdlje doslej. To je bilo dovolj dolgo za razločno organov (kot je utripajoče srce, črevesna cev, nevralna guba itd.). Ta zadnji napredek je res izjemen.
Kot je 1. avgusta 2022 poročal Cell, je raziskovalna skupina ustvarila mišje sintetične zarodke z uporabo samo naivnih embrionalnih izvornih celic (ESC) zunaj materine maternice. Ko-agregirali so izvorne celice in jih obdelovali z uporabo nedavno razvite platforme za kulturo za daljše obdobje ex-utero rasti, da dobimo postgastrulacijski sintetični cel zarodek z embrionalnimi in zunajembrionalnimi deli. Sintetični zarodek je zadovoljivo dosegel mejnike za 8.5-dnevno fazo mišjih zarodkov. Ta študija poudarja sposobnost naivnih pluripotentnih celic, da se same sestavijo in samoorganizirajo ter modelirajo celoten zarodek sesalcev onkraj gastrulacije4.
V najnovejši študiji, objavljeni v reviji Nature 25. avgusta 2022, so raziskovalci uporabili tudi zunajembrionalne matične celice za razširitev razvojnega potenciala embrionalnih matičnih celic (ESC). Sestavili so sintetične zarodke in vitro z uporabo mišjih ESC, TSC in iXEN celic, ki so rekapitulirale naravni celoten embrionalni razvoj miši v maternici do 8.5. Ta sintetični zarodek je imel definirane predele prednjih in srednjih možganov, utripajočo strukturo, podobno srcu, deblo, ki obsega nevralno cev, repni popek, ki vsebuje nevromezodermalne prednike, črevesno cev in primordialne zarodne celice. Vse skupaj je bilo v ekstraembrionalni vrečki5. Tako je bila v tej študiji organogeneza naprednejša in izjemna v primerjavi s študijo, o kateri so poročali v Cell 1. avgusta 2022. Morda je uporaba dveh vrst ekstraembrionalnih matičnih celic povečala razvojni potencial embrionalnih matičnih celic v tej študiji. Zanimivo je, da so bile v prejšnji študiji uporabljene samo naivne embrionalne matične celice (ESC).
Ti dosežki so resnično izjemni, saj je to najbolj oddaljena točka doslej v študijah o sintetičnih zarodkih sesalcev. Sposobnost ustvariti možgane sesalcev je bil glavni cilj sintetične biologije. Ponovno ustvarjanje naravnega procesa postimplantacijskega razvoja zarodka v laboratoriju premaga maternično pregrado in raziskovalcem omogoči preučevanje najzgodnejših življenjskih obdobij, ki so običajno skrita v maternici.
Ne glede na etična vprašanja bodo dosežki v študijah o mišjih sintetičnih zarodkih vodili študije o človeških sintetičnih zarodkih v bližnji prihodnosti, kar bi lahko spodbudilo razvoj in proizvodnjo sintetičnih organov za bolnike, ki čakajo na presaditev.
***
Reference:
- Harrison SE sod 2017. Sestavljanje embrionalnih in ekstraembrionalnih izvornih celic za posnemanje embriogeneze in vitro. ZNANOST. 2. marec 2017. Letnik 356, številka 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810
- Warmflash A. 2017. Sintetični zarodki: okna v razvoj sesalcev. Celica Matične celice. Letnik 20, številka 5, 4. maj 2017, strani 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001
- Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Ex utero mišja embriogeneza od predgastrulacije do pozne organogeneze. Narava 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
- Tarazi S., et el 2022. Sintetični zarodki po gastrulaciji, pridobljeni ex utero iz mišjih naivnih ESC. Celica. Objavljeno: 01. avgusta 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
- Amadei, G., sod 2022. Sintetični zarodki dokončajo gastrulacijo do nevrulacije in organogeneze. Objavljeno: 25. avgust 2022. Narava. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
***
