Med hjälp av syntetiska mänskliga embryon kan forskare studera tidig utveckling samtidigt som de undviker etiska och logistiska hinder

Embryonal utveckling, även känd som embryogenes, är en hörnsten för att förstå livets ursprung. Men forskning om detta mirakel av komplexa och flerskiktiga biologiska processer hos människor står inför betydande utmaningar. Mänskliga embryon i tidiga skeden är svåra att få tag på. Det finns också etiska frågor kring deras användning. Detta har gjort det svårt för forskare att förstå tidig mänsklig utveckling.

Emellertid har framsteg inom genteknik och molekylär och cellulär biologi påskyndat framväxten av syntetisk embryologi, ett delfält som är dedikerat till att replikera och studera embryonal utveckling i en petriskål med hjälp av mänskliga stamceller. Genom att tillhandahålla nya verktyg för att studera de gåtfulla tidiga stadierna av mänsklig utveckling, kan syntetisk embryologi hjälpa forskare att övervinna de utmaningar som är förknippade med att använda riktiga mänskliga embryon.

Som reproduktions- och utvecklingsbiolog utvecklar jag stamcellsmodeller för embryogenes. Dessa nya modeller kommer också att göra det möjligt för forskare att bättre förstå tillstånd som påverkar mänsklig fortplantning och utveckling, såväl som mödrars och fosterhälsa, vilket kan leda till nya terapier.

Skapa mänskliga embryon från stamceller

Embryogenes börjar med befruktningen av en äggcell. Detta gör att ägget snabbt delar sig i embryonala celler, som snart bildar en inre cellmassa som så småningom utvecklas till fostret, och ett yttre cellskikt som ger upphov till moderkakan.

När den implanteras i livmodern utvecklas den inre cellmassan till de tre skikten från vilka alla vävnader och organ i människokroppen uppstår. Samtidigt börjar moderkakan bildas när embryot fäster vid livmoderväggen, ett avgörande steg i bandet mellan mamma och foster. Denna fastsättning tillåter överföring av näringsämnen, syre och avfallsmaterial mellan mor och foster.

Syntetisk embryologi återskapar artificiellt dessa utvecklingsstadier med hjälp av mänskliga pluripotenta stamceller härledda från mänskliga embryon eller inducerade från vuxna mänskliga celler. Liksom tidiga embryonala celler har dessa celler förmågan att utvecklas till vilken celltyp som helst i människokroppen. I noggrant utformade laboratoriemiljöer kan forskare styra dessa celler till att bilda flercelliga strukturer som efterliknar olika embryonala utvecklingsstadier, inklusive tidig organbildning.

Diagram som visar de första 23 dagarna av embryogenes, från befruktning till förstoring av fostersäcken

År 2014 skapade forskare den första mänskliga embryomodellen från embryonala stamceller. Denna banbrytande modell, även kallad gastruloid, fångade nyckelaspekter av tidig mänsklig utveckling och visade att forskare kan få pluripotenta stamceller att bilda mönstrade lager som liknar de tre hjärtbladen och embryots yttre lager.

Gastroloider är lätta att reproducera och mäta när man studerar tidiga utvecklingshändelser. Dessa 2D-gastruloider kan också hjälpa forskare att exakt identifiera och avbilda embryonala celler. Denna modell saknar dock den komplexa 3D-strukturen och rumsliga cellinteraktioner som observerats i naturlig embryogenes.

Framsteg inom mänskliga embryomodeller

Fältet har gjort betydande framsteg sedan den första gastruloiden.

Under årens lopp har olika modeller kunnat återskapa olika aspekter av mänsklig embryogenes, såsom: B. utvecklingen av fostersäcken, bildandet av groddskiktet och organiseringen av kroppsplanen. Forskare har också utvecklat organspecifika modeller för tidig organutveckling, till exempel en modell som fångar nyckelhändelser i neural utveckling och fostrets lungorganoider som efterliknar processen för lungbildning.

Ingen av dessa modeller fångar dock helt hela processen för utveckling av en enda celltyp till den fullständiga strukturen av ett helt embryo.

Ett betydande genombrott inträffade 2021 när flera forskargrupper framgångsrikt använde mänskliga pluripotenta stamceller med högre utvecklingspotential för att skapa blastoider som liknar embryon i tidiga skeden före implantation. Blastoider bildas på ett liknande sätt som mänskliga embryon, med utgångspunkt från bara några få celler som förökar sig och organiserar sig.

Blastoiders utvecklingsmässiga och strukturella likhet med embryon gör dem användbara för att studera de tidiga stegen av embryonbildning, särskilt innan de fäster vid livmodern. Blastoider kan fästa på laboratorierätter och fortsätta växa. De kan också efterlikna implantationen av ett embryo i livmodern genom att integreras med moderns endometrieceller och utvecklas till senare embryonala stadier efter implantation.

På senare tid har forskare kunnat skapa mer komplexa modeller i laboratoriet som efterliknar vad som händer efter implantation av embryon i livmodern. Två forskarlag har använt speciellt framtagna celler för att skapa strukturer som liknar mänskliga embryon ungefär en vecka efter implantation. Dessa modeller kan också bilda de celler som i slutändan omvandlas till spermier och ägg hos människor, vilket speglar de processer som sker i naturlig utveckling.

En annan forskargrupp kunde också skapa en liknande modell från pluripotenta stamceller utan att behöva genetiskt modifiera dem. Denna modell kan replikera senare utvecklingsstadier och början av bildandet av nervsystemet.

Att välja rätt modeller

Inom det växande området för syntetisk embryologi kan ingen enskild modell perfekt fånga alla aspekter av embryogenes. Målet är alltså inte att leka Gud och skapa liv i en petriskål, utan snarare att förbättra vår självförståelse. Detta mål belyser vikten av att noggrant välja den modell som är bäst lämpad för de specifika forskningsmålen.

Till exempel har mitt tidigare arbete fokuserat på kromosomavvikelser i tidig mänsklig utveckling. Aneuploidi, eller celler med ett onormalt antal kromosomer, är en ledande orsak till graviditetsförlust. Den vetenskapliga kunskapen om hur dessa onormala celler påverkar graviditet och fosterutveckling är dock mycket begränsad.

Eftersom gastroloider effektivt kan modellera dessa aspekter av tidig utveckling, kan detta system vara idealiskt för att studera aneuploidi i tidig utveckling. Detta gör det möjligt för forskare att noggrant övervaka och analysera hur aneuploida celler beter sig och hur de påverkar utvecklingsprocesser.

Med hjälp av denna modell fann mitt team och jag att celler med kromosomavvikelser är mer benägna att mogna till placentaceller och kommer sannolikt att elimineras under fostercellsutveckling. Detta fynd ger viktig insikt i varför spädbarn med normala kromosomantal kan födas friska trots aneuploidi upptäckt under graviditeten. Sådana upptäckter är värdefulla för att förbättra diagnostiska och prognostiska metoder inom mödravården.

Framtida modeller som mer fullständigt replikerar embryonala strukturer och bättre återspeglar biologiska händelser kommer inte bara att förbättra förståelsen av grunden för tidig utveckling utan också ha stor potential för att lösa kliniska problem. Forskare kan använda dem för att modellera sjukdomar och utveckla läkemedel för tidigt i livet eller genetiska sjukdomar. Dessa modeller är också ovärderliga för att studera vävnadsbildning inom regenerativ medicin. Att skapa embryomodeller från en patients egna celler kan också göra det möjligt för forskare att studera utvecklingens genetik och hjälpa till att anpassa behandlingar.

Nyckeln till framsteg inom området syntetisk embryologi är orubblig efterlevnad av etiska standarder och föreskrifter. Vad som är avgörande är att dessa embryomodeller varken är syntetiska eller riktiga embryon. International Society for Stem Cell Research förbjuder strängt överföring av dessa embryomodeller till livmodern på en människa eller ett djur. Även om dessa modeller efterliknar vissa egenskaper hos tidiga utvecklingsstadier, kan och kommer de inte att utvecklas till ett mänskligt barn efter födseln. Om forskningen bygger på sunda resonemang och överblick, kommer det att bidra till att vetenskapliga studier av livets struktur utförs med största respekt och ansvar.

Genom att utnyttja komplexiteten och potentialen hos syntetisk embryologi står forskare på kanten av en ny era av biologisk förståelse och är redo att låsa upp livets mysterier.

Den här artikeln återpublicerades från The Conversation, en ideell, oberoende nyhetsorganisation som ger dig fakta och pålitlig analys för att hjälpa dig förstå vår komplexa värld. Det skrevs av: Min Yang, University of Washington

Läs mer:

Min (Mia) Yang får finansiering från University of Washington

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *