Wetenskaplikes het die natuurlike proses van embrioniese ontwikkeling van soogdiere in die laboratorium herhaal tot by die ontwikkeling van brein en hart. Met behulp van stamselle het navorsers sintetiese muis-embrio's buite die baarmoeder geskep wat die natuurlike proses van ontwikkeling in die baarmoeder tot op dag 8.5 opgesom het. Dit is 'n mylpaal in sintetiese biologie. In die toekoms sal dit studies oor menslike sintetiese embrio's rig, wat op hul beurt weer kon ontwikkeling en vervaardiging van sintetiese in te lei organe vir pasiënte wat op oorplantings wag.
'n Embrio word gewoonlik verstaan as 'n intermediêre ontwikkelingstadium in opeenvolgende natuurlike verskynsel van voortplanting wat geïnisieer word deur sperm wat 'n eiersel ontmoet om 'n sigoot te vorm, wat verdeel om 'n embrio, gevolg deur ontwikkeling tot 'n fetus en 'n pasgebore baba na voltooiing van swangerskap.
Vooruitgang in embrioniese sel kernoordrag het die geval gesien om die stap van bevrugting van 'n eiersel deur die sperm oor te slaan. In 1984 is 'n embrio geskep uit 'n eiersel waarin sy oorspronklike haploïede kern verwyder is en vervang is deur die kern van 'n skenker-embrioniese sel wat suksesvol in 'n surrogaat ontwikkeling ondergaan het om geboorte te gee aan die eerste gekloonde babaskaap. Met die perfeksie van Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT), is Dolly die skaap in 1996 uit 'n volwasse volwasse sel geskep. Dit was die eerste geval van kloning van 'n soogdier uit 'n volwasse sel. Dolly se saak het ook die moontlikheid oopgemaak vir die ontwikkeling van persoonlike stamselle. In beide gevalle is sperm nie gebruik nie, maar dit was die eiersel (met die vervangde kern) wat gegroei het om embrio te word. So, as sodanig, was hierdie embrio's steeds natuurlik.
Kan embrio's geskep word sonder dat selfs 'n eier betrokke is? Indien wel, sal sulke embrio's sinteties wees in die mate dat geen gamete (geslagselle) gebruik sal word nie. Deesdae word sulke embrio's (of 'embrio-agtige' of embrio's) gereeld geskep deur gebruik te maak van embrioniese stamselle (ESC) en gekweek. vitro in die laboratorium.
Onder soogdiere neem muise 'n relatief kort tydperk (19-21 dae) om voort te plant, wat muisembrio 'n gerieflike studiemodel maak. Van die totaal is die voor-inplantingsperiode ongeveer 4-5 dae terwyl die res 15 dae (ongeveer 75% van die totaal) na-inplanting is. Vir post-inplanting ontwikkeling, moet die embrio in die baarmoeder ingeplant word, wat dit ontoeganklik maak vir buite waarneming. Hierdie afhanklikheid van moederlike baarmoeder plaas 'n hindernis in ondersoek.
Die jaar 2017 was betekenisvol in die geskiedenis van soogdierembriokultuur. Pogings om sintetiese muis-embrio's te skep het 'n klap gekry toe navorsers duidelik getoon het dat embrioniese stamselle die vermoë het om self saam te stel en self te organiseer vitro om aanleiding te gee tot embrioagtige strukture wat op belangrike maniere na natuurlike embrio's gelyk het1,2. Daar was egter beperkings voortspruitend uit baarmoeder hindernisse. Dit is roetine om pre-inplanting embrio te kweek vitro maar enige robuuste platform vir die ex-utero-kultuur van na-inplanting muisembrio (van eiersilinderstadia tot gevorderde organogenese) was onbeskikbaar. 'n Deurbraak om hieraan aandag te gee, het verlede jaar in 2021 gekom toe 'n navorsingspan 'n kultuurplatform aangebied het wat effektief was vir die post-inplantingsontwikkeling van muisembrio buite die moederlike baarmoeder. Daar is gevind dat 'n embrio wat op hierdie platform ex utero gekweek is om presies in utero ontwikkeling3. Hierdie ontwikkeling het baarmoederversperrings oorkom en navorsers in staat gestel om post-inplanting morfogenese beter te verstaan en het dus gehelp om sintetiese embrio-projek tot 'n gevorderde stadium te kom.
Nou het twee navorsingsgroepe gerapporteer dat sintetiese muisembrio vir 8.5 dae gegroei het, wat die langste tot dusver is. Dit was lank genoeg om te onderskei organe (soos kloppende hart, dermbuis, neurale vou, ens.) ontwikkel het. Hierdie jongste vordering is werklik merkwaardig.
Soos berig in Cell op 1 Augustus 2022, het die navorsingspan muis-sintetiese embrio's gegenereer deur slegs naïewe embrioniese stamselle (ESC's) buite die moederlike baarmoeder te gebruik. Hulle het die stamselle saamgevoeg en dit vir 'n lang tydperk met behulp van die onlangs ontwikkelde kultuurplatform verwerk ex-utero groei om post-gastrulasie sintetiese hele embrio met beide embrioniese en ekstra-embrioniese kompartemente te kry. Die sintetiese embrio het bevredigend mylpale behaal vir 8.5 dae stadium van muisembrio's. Hierdie studie beklemtoon die vermoë van naïewe pluripotente selle om die hele soogdierembrio buite gastrulasie self saam te stel en self te organiseer en te modelleer4.
In die mees onlangse studie wat op 25 Augustus 2022 in Nature gepubliseer is, het die navorsers ook buite-embrioniese stamselle gebruik om die ontwikkelingspotensiaal van embrioniese stamselle (ESC) uit te brei. Hulle het sintetiese embrio's in vitro saamgestel deur gebruik te maak van muis-ESC's, TSC's en iXEN-selle wat die natuurlike hele embrioniese ontwikkeling van muis in die baarmoeder tot die dag 8.5 gerekapituleer het. Hierdie sintetiese embrio het voorbrein- en middelbreinstreke gedefinieer, 'n kloppende hartagtige struktuur, 'n stam wat uit 'n neuraalbuis bestaan, 'n stertknop wat neuromesodermale stamvaders bevat, 'n dermbuis en oerkiemselle. Die hele ding was binne 'n ekstra-embrioniese sak5. Dus, in hierdie studie was organogenese meer gevorderd en merkwaardig teenoor die studie wat in Cell op 1 Augustus 2022 gerapporteer is. Miskien het die gebruik van twee tipes ekstra-embrioniese stamselle die ontwikkelingspotensiaal van embrioniese stamselle in hierdie studie verbeter. Interessant genoeg is slegs naïewe embrioniese stamselle (ESC's) in die vroeëre studie gebruik.
Hierdie prestasies is werklik merkwaardig aangesien dit die verste punt tot dusver is in studies oor sintetiese soogdierembrio's. Die vermoë om 'n soogdierbrein te skep, was 'n hoofdoelwit van sintetiese biologie. Die herskepping van die natuurlike proses van post-implantasie embrioniese ontwikkeling in die laboratorium oorkom die baarmoederversperring en maak dit vir die navorsers moontlik om vroegste lewensfases te bestudeer wat normaalweg in die baarmoeder versteek is.
Nieteenstaande etiese kwessies, sal prestasies in studies oor sintetiese muisembrio's in die nabye toekoms studies oor menslike sintetiese embrio's rig wat die ontwikkeling en produksie van sintetiese organe kan inlui vir pasiënte wat op oorplanting wag.
***
Verwysings:
- Harrison SE et al 2017. Samestelling van embrioniese en ekstra-embrioniese stamselle om embriogenese in vitro na te boots. WETENSKAP. 2 Mrt 2017. Vol 356, Uitgawe 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810
- Warmflits A. 2017. Sintetiese embrio's: vensters in soogdierontwikkeling. Sel Stamsel. Jaargang 20, Uitgawe 5, 4 Mei 2017, Bladsye 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001
- Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Ex utero muis embriogenese van pre-gastrulasie tot laat organogenese. Nature 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
- Tarazi S., et el 2022. Post-gastrulasie sintetiese embrio's gegenereer ex utero van muis naïewe ESC's. Sel. Gepubliseer: 01 Augustus 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
- Amadei, G., et al 2022. Sintetiese embrio's voltooi gastrulasie tot neurulasie en organogenese. Gepubliseer: 25 Augustus 2022. Nature. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
***
