Cambridge-forskare odlar "syntetiskt" embryo med hjärna och ett bultande hjärta

Forskare från University of Cambridge har skapat syntetiska modellembryon med hjärnor, bultande hjärtan, med potential att odla andra organ från musstamceller. Forskningen framhålls som ett nytt sätt att återskapa livets första skeden.

Ett team av forskare ledd av professor Magdalena Zernicka-Goetz använde stamceller för att utveckla embryomodellen, snarare än ägg eller spermier. Stamceller är masterceller som kan utvecklas till nästan vilken annan celltyp som helst i kroppen.

Modellembryon, som de som odlats av forskarna, kan hjälpa till att förstå varför vissa embryon fortsätter att utvecklas till en hälsosam graviditet, medan andra inte gör det. Resultaten kan också användas för att vägleda reparation och utveckling av syntetiska mänskliga organ som ska användas vid transplantationer.

För att skapa embryona, efterliknade forskare naturliga processer för att vägleda tre typer av stamceller som finns i tidig utveckling av däggdjur tills de började interagera. Forskarna kunde få stamcellerna att "prata" med varandra genom att manipulera gener och skapa rätt miljö för cellerna.

Därifrån organiserade sig stamcellerna i strukturer som utvecklade bankande hjärtan och hjärnans fundament. De odlade också gulesäcken där embryon får näring från under sina första levnadsveckor.

Efter forskning först nådde dessa embryon en punkt där hela hjärnan, inklusive den främre delen, började utvecklas. Ingen annan stamcellshärledd modell har någonsin nått detta stadium.

Professor Zernicka-Goetz grupp i Cambridge har studerat dessa tidigaste stadier av graviditet i ett decennium. De vill förstå varför vissa graviditeter misslyckas och vissa lyckas.

"Stamcells-embryomodellen är viktig eftersom den ger oss tillgång till den utvecklande strukturen i ett skede som normalt är dolt för oss på grund av implantationen av det lilla embryot i moderns livmoder", säger Zernicka-Goetz. "Denna tillgänglighet tillåter oss att manipulera gener för att förstå deras utvecklingsroller i ett modellexperimentsystem."

"Vår mössembryomodell utvecklar inte bara en hjärna, utan också ett bultande hjärta, alla komponenter som fortsätter att utgöra kroppen", säger professor Zernicka-Goetz, som är professor i utveckling av däggdjur och stamcellsbiologi vid Cambridges avdelning för Fysiologi, utveckling och neurovetenskap. – Det är helt otroligt att vi har kommit så långt. Det här har varit drömmen för vårt samhälle i flera år, och det har varit ett stort fokus för vårt arbete i ett decennium och äntligen har vi gjort det."

För att ett mänskligt embryo ska utvecklas framgångsrikt måste de vävnader som kommer att bli embryot och de vävnader som kommer att koppla embryot till modern att ha en "dialog". Under den första veckan efter befruktningen utvecklas tre typer av stamceller: en som kommer att bli kroppens vävnader och två som stöder embryots utveckling.

En av de vävnader som stödjer embryots utveckling är moderkakan, som förbinder fostret med modern och ger syre och näringsämnen. Den andra är gulesäcken, där embryot växer och får näring från under tidig utveckling.

Många graviditeter misslyckas vid den tidpunkt då de tre typerna av stamceller börjar skicka kemiska och mekaniska signaler till varandra. Professor Zernicka-Goetz, även professor i biologi och biologisk teknik vid Caltech, förklarade: "Så många graviditeter misslyckas vid den här tiden, innan de flesta kvinnor inser att de är gravida. Denna period är grunden för allt annat som följer under graviditeten. Om det blir fel kommer graviditeten att misslyckas.”

Forskarna fann att de extraembryonala cellerna signalerar till embryonala celler genom kemiska signaler. De kommunicerar också mekanistiskt, eller genom beröring, för att styra embryots utveckling.

"Den här perioden av mänskligt liv är så mystisk, så att kunna se hur det går till i en maträtt - att ha tillgång till dessa individuella stamceller, att förstå varför så många graviditeter misslyckas och hur vi skulle kunna förhindra att det händer – är ganska speciellt, säger Zernicka-Goetz. "Vi tittade på dialogen som måste ske mellan de olika typerna av stamceller vid den tiden - vi har visat hur det uppstår och hur det kan gå fel."

Modellen är också den första som signalerar utveckling av den främre delen av hjärnan, och faktiskt hela hjärnan. "Detta öppnar nya möjligheter att studera mekanismerna för neuroutveckling i en experimentell modell", säger Zernicka-Goetz.

"Vi visar faktiskt beviset för denna princip i tidningen genom att slå ut en gen som redan är känd för att vara nödvändig för bildandet av nervröret, föregångare till nervsystemet och för hjärnans och ögonens utveckling. I frånvaro av denna gen visar de syntetiska embryona exakt de kända defekterna i hjärnans utveckling som hos ett djur som bär denna mutation. Det betyder att vi kan börja tillämpa den här typen av tillvägagångssätt på de många generna med okänd funktion i hjärnans utveckling."

Aktuell forskning utfördes i musmodeller, men forskarna utvecklar liknande mänskliga modeller. Dessa kan användas för att generera specifika organtyper för att förstå processer som annars skulle vara omöjliga att studera i riktiga embryon.

För närvarande tillåter brittisk lag att mänskliga embryon endast studeras i laboratoriet fram till den 14:e utvecklingsdagen. Om de metoder som utvecklats av Zernicka-Goetz team visar sig vara framgångsrika med mänskliga stamceller i framtiden, skulle de också kunna användas för att vägleda utvecklingen av syntetiska organ för patienter som väntar på transplantation.

Zernicka-Goetz sa: "Det finns så många människor runt om i världen som väntar i flera år på organtransplantationer. Det som gör vårt arbete så spännande är att den kunskap som kommer ur det kan användas för att odla korrekta syntetiska mänskliga organ för att rädda liv som för närvarande går förlorade. Det ska också vara möjligt att påverka och läka vuxna organ genom att använda den kunskap vi har om hur de är tillverkade.”

Hon tillade: "Detta är ett otroligt steg framåt och tog tio års hårt arbete av många av mina teammedlemmar - jag trodde aldrig att vi skulle komma till den här platsen. Du tror aldrig att dina drömmar kommer att gå i uppfyllelse, men det har de gjort.”

Läs hela historien här ...