Ludzkie nerki hodowane w zarodkach świń

Badania nad hybrydami ludzko-zwierzęcymi mają długą historię. Choć mogą wydawać się jakimś wynaturzeniem, to mają na celu dobro nauki i medycyny. Tego typu chimery, jak w biologii określa się organizmy powstałe z komórek różniących się genetycznie, pochodzących od dwóch lub więcej osobników, są tworzone do hodowli ludzkich narządów do przeszczepów. Mogą być także przydatne w testach nowych leków, w medycynie regeneracyjnej oraz przydać się do poszerzenia wiedzy o rozwoju oraz ewolucji.

W nowych badaniach naukowcom z Instytutu Biomedycyny i Zdrowia w Kantonie udało się stworzyć zarodki zawierające kombinację komórek ludzkich i świńskich. Po przeniesieniu ich do samic świń, w embrionach zaczęły rozwijać się nerki zawierające komórki ludzkie, co oznacza, że naukowcom udało się wyhodować ludzki narząd wewnątrz innego zwierzęcia.

Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Cell Stem Cell" (DOI: 10.1016/j.stem.2023.08.003).

Uczeni skupili się na nerkach, ponieważ są to jedne z pierwszych narządów, które rozwijają się w zarodku. Do tego są najczęściej przeszczepianym organem u człowieka. - Narządy szczurów wytwarzano już u myszy, a narządy myszy hodowano u szczurów, ale poprzednie próby wyhodowania organów ludzkich u świń nie powiodły się. Nasze podejście poprawia integrację komórek ludzkich z tkankami biorcy i pozwala nam hodować narządy ludzkie u świń - mówi Lia Liangxue, jeden z autorów publikacji.

Badania obejmowały stworzenie chimer embrionów ludzko-świńskich zawierających kombinację komórek obu gatunków. Wykazano, że po przeniesieniu do zastępczych, świńskich matek, zaczęły rozwijać się w nich ludzkie nerki. Po 28 dniach hodowli nerki miały identyczną strukturę, co normalnie rozwijające się nerki w ludzkich zarodkach.

Mimo że nerki posiadały komórki człowieka, to nie były całkowicie ludzkie. Zawierały układy naczyniowe i nerwy zbudowane głównie z komórek świń, co oznacza, że w takiej postaci nie nadawałyby się do przeszczepu. Nie jest jasne, czy wyzwanie polegające na stworzeniu w pełni ludzkiego narządu u innego gatunku byłoby wykonalne przy użyciu obecnych technik inżynierii genetycznej.

Głównym wyzwaniem w tworzeniu tego typu hybryd jest to, że komórki świni konkurują z komórkami ludzkimi i jest ich znacznie więcej. Integracja ludzkich komórek macierzystych z zarodkami świń stanowi także wyzwanie, ponieważ komórki świń i ludzi mają różne potrzeby fizjologiczne. - Pracowaliśmy nad mechanizmami pozwalającymi przezwyciężyć niezwykle niską skuteczność chimer międzygatunkowych. Zidentyfikowaliśmy kilka kluczowych czynników, które pomagają w tworzeniu chimer międzygatunkowych, ułatwiając konkurencję komórkową – mówi Guangjin Pan.

Aby pokonać te przeszkody zespół zastosował technikę edycję genów CRISPR-Cas9, by stworzyć w embrionie świni specjalną niszę. Wszystko po to, aby komórki ludzkie nie musiały konkurować z komórkami świni. Z zarodka świni usunięto dwa geny odpowiadające za rozwój nerek. Następnie dodano do embrionu specjalnie przygotowane ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste. Są to komórki, które mają potencjał różnicowania się w wiele, choć nie wszystkie typy komórek. Komórki te przygotowano tak, by uczynić je bardziej zdolnymi do integracji i mniej podatnymi na samozniszczenie poprzez tymczasowe zatrzymanie apoptozy.

Następnie uczeni przekształcili te komórki do tzw. stanu naiwnego, przypominającego wczesne ludzkie komórki embrionalne. Przed wszczepieniem zarodków-chimer świńskim matkom zastępczym, hodowano je w probówkach zawierających substancje odżywiające komórki ludzkie i świńskie.

W sumie badacze przenieśli 1820 zarodków do 13 matek zastępczych. Ciążę przerywano po 25 i 28 dniach, aby ocenić skuteczność eksperymentu. Naukowcy pobrali do analizy pięć zarodków (dwa rozwijające się przez 25 dni i trzy przez 28 dni) i odkryli, że miały one strukturalnie normalne nerki, jak na ten etap rozwoju. Utworzyły nawet kanaliki i zawiązki komórek, które ostatecznie stałyby się moczowodami łączącymi nerkę z pęcherzem.

Nerki składały się w 50–60 proc. z komórek ludzkich.

- Ponieważ narządy nie składają się z tylko jednej linii komórkowej, aby uzyskać narząd, w którym wszystko pochodzi od człowieka, prawdopodobnie musielibyśmy konstruować świnie w znacznie bardziej złożony sposób, co również wiąże się z dodatkowymi wyzwaniami – mówi starszy autor badań Miguel A. Esteban z Instytutów Biomedycyny i Zdrowia w Kantonie.

Zespół zbadał także, czy zaimplementowane do zarodka komórki ludzkie przyczyniają się do budowy innych tkanek, co mogłoby mieć konsekwencje etyczne, zwłaszcza jeśli w tkankach wykryto by komórki ludzkie. Uczeni wykazali, że komórki ludzkie były zlokalizowane głównie w nerkach, podczas gdy pozostała część zarodka składała się głównie z komórek świni. Jednak poza nerkami też znaleziono komórki ludzkie.

- Zaobserwowaliśmy jedynie bardzo niewiele ludzkich komórek nerwowych w mózgu i rdzeniu kręgowym embrionu. Nie zauważyliśmy żadnych ludzkich komórek w narządach płciowych, co wskazuje, że specjalnie przygotowane ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste nie różnicowały się w komórki zarodkowe - mówi Zhen Dai, jeden z autorów badań.

Teraz, gdy stworzono optymalne warunki do hodowli nerek u chimer ludzko-świńskich, zespół chce umożliwić nerkom dłuższy rozwój. Badacze pracują także nad wytworzeniem innych narządów ludzkich u świń, w tym serca i trzustki. Celem długoterminowym jest optymalizacja tej technologii pod kątem pozyskiwania narządów do przeszczepów. Jednak uczeni przyznają, że przed nimi jeszcze wiele wyzwań, a dalsze badania mogą zająć wiele lat.

Źródło: Cell Press, Science Alert, fot. Rictor Norton & David Allen from London, United Kingdom, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons