Złożone modele ludzkich zarodków stworzone przy użyciu komórek macierzystych

Zespół badaczy kierowany przez prof. Jacoba Hannę z Instytutu Naukowego Weizmanna w Izraelu stworzył kompletne modele ludzkich embrionów z komórek macierzystych hodowanych w laboratorium aż do 14. dnia. Jak poinformowano w publikacji, która ukazała się na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-023-06604-5), te syntetyczne modele posiadały wszystkie struktury charakterystyczne dla tego etapu rozwoju, w tym łożysko, woreczek żółtkowy, kosmówkę i inne tkanki.

Niedawno podobne modele zarodków stworzyli naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge oraz z Caltech, ale modele izraelskich uczonych mają znacznie bardziej złożoną strukturę. Izraelscy uczeni stwierdzili, że modele ich amerykańskich i brytyjskich kolegów nie zawierały kilku typów komórek niezbędnych do rozwoju zarodka. Ponadto nie posiadały one struktury charakterystycznej dla zarodka i nie wykazywały dynamicznej zdolności do przejścia do kolejnego etapu rozwoju.

Celem pracy jest rzucenie światła na etap rozwoju zarodka zwany gastrulacją, który następuje od dwóch do trzech tygodni po zapłodnieniu. To krytyczny etap rozwoju, ale naukowcy niewiele o nim wiedzą. - Dramat rozgrywa się w pierwszym miesiącu, pozostałe osiem miesięcy ciąży to głównie intensywny rozwój – stwierdził profesor Jacob Hanna. - Ale ten pierwszy miesiąc to nadal w dużej mierze czarna skrzynka. Nasz model ludzkiego embrionu pochodzącego z komórek macierzystych oferuje etyczny i przystępny sposób wglądu w tę skrzynkę. Model naśladuje rozwój prawdziwego ludzkiego embrionu, szczególnie pojawienie się jego niezwykle pięknej architektury – dodał.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Podobnie jak w pracach badaczy z Cambridge oraz z Caltech, modele stworzono bez konieczności wykorzystania plemników czy komórek jajowych, ani nawet macicy. Naukowcom udało się nakłonić ludzkie komórki macierzyste do zorganizowania się w syntetyczne modele przypominające embrion. Wykorzystali przy tym wiedzę zdobytą we wcześniejszych badaniach na myszach.

Zaczęli od prac z pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi, które mają potencjał różnicowania się w wiele, choć nie wszystkie typy komórek. Niektóre z nich pochodziły z dorosłych komórek skóry, które cofnięto do stanu sprzed różnicowania. Inne pochodziły z linii ludzkich komórek macierzystych, które hodowano przez lata w laboratorium.

Następnie badacze wykorzystali niedawno opracowaną przez zespół Hanny metodę do przeprogramowania pluripotencjalnych komórek macierzystych, aby cofnąć je do jeszcze wcześniejszego stanu, nazywanego stanem naiwnym, w którym są one w stanie wyspecjalizować się w każdy typ komórek. Ten etap odpowiada siódmemu dniu życia naturalnego embrionu ludzkiego, mniej więcej w momencie zagnieżdżenia się w macicy. Zespół Hanny jako pierwszy zaczął opisywać metody generowania ludzkich naiwnych komórek macierzystych już w 2013 r. i przez lata udoskonalał te metody, które stanowią sedno obecnego projektu.

Naukowcy podzielili komórki na trzy grupy. Komórki, które miały rozwinąć się w zarodek, pozostawiono bez zmian. Komórki w każdej z pozostałych grup traktowano różnymi związkami chemicznymi, aby włączyć określone geny, co miało spowodować różnicowanie się tych komórek w kierunku jednego z trzech typów tkanek potrzebnych do utrzymania zarodka: tkanek łożyska, woreczka żółtkowego lub kosmówki.

Wkrótce po zmieszaniu w zoptymalizowanych, specjalnie opracowanych warunkach, komórki utworzyły grudki, z których około jeden procent samoorganizował się w kompletne struktury przypominające embrion. - Embrion z definicji kieruje się sam sobą. Nie musimy mówić mu, co ma robić. Musimy jedynie uwolnić jego wewnętrznie zakodowany potencjał. Bardzo ważne jest, aby na początku wymieszać odpowiednie rodzaje komórek, które można uzyskać wyłącznie z naiwnych komórek macierzystych i które nie mają ograniczeń rozwojowych – powiedział Hanna.

Powstałe w ten sposób struktury embrionopodobne rozwijały się normalnie poza macicą przez 8 dni, osiągając etap odpowiadający dwutygodniowemu rozwojowi embrionalnemu człowieka. To jest moment, w którym naturalne zarodki nabywają wewnętrzne struktury, umożliwiające im przejście do następnego etapu: rozwoju komórek progenitorowych.

Kiedy naukowcy porównali wewnętrzną organizację modeli zarodków pochodzących z komórek macierzystych z ilustracjami i mikroskopijnymi fragmentami anatomii w klasycznych atlasach embriologicznych, odkryli niesamowite podobieństwo strukturalne między modelami a naturalnymi embrionami ludzkimi na odpowiednim etapie.

Każda struktura znajdowała się we właściwym miejscu, rozmiarze i kształcie. Nawet komórki wytwarzające hormon używany w testach ciążowych były obecne i aktywne. Co ciekawe, kiedy naukowcy zastosowali wydzielinę tych komórek do komercyjnego testu ciążowego, wynik był pozytywny. Oznacza to, że modele wiernie naśladowały proces, w wyniku którego wczesny embrion zyskuje wszystkie struktury potrzebne do rozpoczęcia transformacji w płód.

- Wiele niepowodzeń w czasie ciąży ma miejsce w ciągu pierwszych kilku tygodni, często zanim kobieta w ogóle zda sobie sprawę, że jest w ciąży. Wtedy też powstaje wiele wad wrodzonych, chociaż zwykle odkrywa się je znacznie później. Nasze modele można wykorzystać do ujawnienia sygnałów biochemicznych i mechanicznych zapewniających prawidłowy rozwój na tym wczesnym etapie – podkreślił Hanna.

Na etapie, który odpowiada tygodniowi ciąży, modele zarodków były agregatami około 120 komórek, których łączna średnica wynosiła około 0,01 mm. Do 14 dnia zawierały już około 2500 komórek i mierzyły 0,5 mm.

Uczeni obserwując swoje modele odkryli, że jeśli w trzecim dniu trwania procesu (co odpowiada 10. dniu naturalnego rozwoju embrionalnego) zarodek nie zostanie prawidłowo otoczony komórkami tworzącymi łożysko, jego struktury wewnętrzne, takie jak woreczek żółtkowy, nie będą się prawidłowo rozwijać.

- Zarodek nie jest statyczny. Musi mieć odpowiednie komórki we właściwej organizacji i musi móc się rozwijać. Nasze kompletne modele zarodków pomogą badaczom odpowiedzieć na najbardziej podstawowe pytania dotyczące czynników decydujących o ich prawidłowym rozwoju – zaznaczył Hanna.

To etyczne podejście do odkrywania tajemnic pierwszych etapów rozwoju embrionalnego może otworzyć wiele ścieżek badawczych. Może pomóc w ujawnieniu przyczyn wielu wad wrodzonych i powodów niepłodności. Może również prowadzić do nowych technologii hodowli tkanek i narządów do przeszczepów. Może także umożliwić obejście eksperymentów, których nie można przeprowadzić na żywych embrionach – na przykład określenie wpływu narażenia na leki lub inne substancje na rozwój płodu.

Źródło: Science Alert, IFLScience, Weizmann Institute of Science, fot. J Hanna et al/Weizmann Institute of Science