Oamenii de știință au replicat procesul natural de dezvoltare embrionară a mamiferelor în laborator până la punctul de dezvoltare a creierului și a inimii. Folosind celule stem, cercetătorii au creat embrioni sintetici de șoarece în afara uterului, care au recapitulat procesul natural de dezvoltare din uter până în ziua 8.5. Aceasta este o piatră de hotar în biologia sintetică. În viitor, aceasta va ghida studiile asupra embrionilor umani sintetici, care la rândul lor ar putea inaugurarea dezvoltării și producției de materiale sintetice organe pentru pacienții care așteaptă transplanturi.
Un embrion este de obicei înțeles ca o etapă intermediară de dezvoltare în fenomenul natural secvenţial de reproducere iniţiat de spermatozoizii care întâlnesc un ovul pentru a forma un zigot, care se divide pentru a deveni un embrion, urmată ulterior de dezvoltarea într-un făt și un nou-născut la terminarea gestației.
Progrese în celula embrionară transfer nuclear am văzut exemplul de a sări peste pasul de fertilizare a unui ovul de către spermatozoizi. În 1984, un embrion a fost creat dintr-un ou în care nucleul original haploid a fost îndepărtat și înlocuit cu nucleul unei celule embrionare donatoare care a suferit dezvoltarea cu succes într-un surogat pentru a da naștere primului pui de oaie clonat. Cu perfecțiunea transferului nuclear al celulelor somatice (SCNT), oaia Dolly a fost creată în 1996 dintr-o celulă adultă matură. Acesta a fost primul caz de clonare a unui mamifer dintr-o celulă adultă. Cazul lui Dolly a deschis și posibilitatea dezvoltării celulelor stem personalizate. În ambele cazuri, sperma nu a fost folosită, totuși ovulul (cu nucleul înlocuit) a crescut pentru a deveni embrion. Deci, ca atare, acești embrioni erau încă naturali.
Ar putea fi creați embrionii fără implicarea măcar a unui ou? Dacă da, astfel de embrioni ar fi sintetici în măsura în care nu ar fi folosiți gameți (celule sexuale). În zilele noastre, astfel de embrioni (sau „asemănător embrionilor” sau embrioizi) sunt creați în mod obișnuit folosind celule stem embrionare (ESC) și cultivați. in vitro în laborator.
Printre mamifere, șoarecii au nevoie de o perioadă relativ scurtă (19-21 de zile) pentru a procrea, ceea ce face ca embrionul de șoarece să fie un model de studiu convenabil. Din total, perioada de preimplantare este de aproximativ 4-5 zile, în timp ce restul de 15 zile (aproximativ 75% din total) este după implantare. Pentru dezvoltarea post-implantare, embrionul trebuie să fie implantat în uter, ceea ce îl face inaccesibil pentru observație externă. Această dependență de uterul matern impune o barieră în investigație.
Anul 2017 a fost semnificativ în istoria culturii de embrioni de mamifere. Eforturile de a crea embrioni sintetici de șoarece au avut un succes atunci când cercetătorii au demonstrat în mod clar că celulele stem embrionare au capacitatea de a se auto-asambla și de a se autoorganiza. in vitro pentru a da naștere unor structuri asemănătoare embrionilor care semănau cu embrioni naturali în moduri importante1,2. Cu toate acestea, au existat limitări care decurg din uterin bariere. Cultivarea embrionului preimplantare este de rutină in vitro dar orice platformă robustă pentru cultura ex-utero a embrionului de șoarece post implantare (de la stadiile cilindrilor de ou până la organogeneza avansată) nu a fost disponibilă. O descoperire pentru a aborda acest lucru a venit anul trecut, în 2021, când o echipă de cercetare a prezentat o platformă de cultură care a fost eficientă pentru dezvoltarea post-implantare a embrionului de șoarece în afara uterului matern. S-a descoperit că un embrion crescut pe această platformă ex utero o recapitulează exactn uter dezvoltare3. Această dezvoltare a depășit barierele uterine și a permis cercetătorilor să înțeleagă mai bine morfogeneza postimplantare și, astfel, a ajutat proiectul de embrioni sintetici să ajungă într-un stadiu avansat.
Acum, două grupuri de cercetare au raportat creșterea embrionului de șoarece sintetic timp de 8.5 zile, care este cea mai lungă de până acum. Acesta a fost suficient de lung pentru distinct organe (cum ar fi inima care bate, tubul intestinal, pliul neural etc.) să se fi dezvoltat. Acest ultim progres este cu adevărat remarcabil.
După cum sa raportat în Cell la 1 august 2022, echipa de cercetare a generat embrioni sintetici de șoarece folosind numai celule stem embrionare (ESC) naive în afara uterului matern. Ei au co-agregat celulele stem și le-au procesat folosind platforma de cultură recent dezvoltată pentru prelungit ex-utero creștere pentru a obține un embrion întreg sintetic post-gastrulare, atât cu compartimente embrionare cât și extraembrionare. Embrionul sintetic a atins în mod satisfăcător reperele pentru etapa de 8.5 zile a embrionilor de șoarece. Acest studiu evidențiază capacitatea celulelor pluripotente naive de a se auto-asambla și de a se auto-organiza și modela întregul embrion de mamifer dincolo de gastrulare4.
În cel mai recent studiu publicat în Nature pe 25 august 2022, cercetătorii au folosit și celule stem extraembrionare pentru a extinde potențialul de dezvoltare al celulelor stem embrionare (ESC). Ei au asamblat embrioni sintetici in vitro folosind ESC-uri de șoarece, TSC-uri și celule iXEN, care au recapitulat întreaga dezvoltare embrionară naturală a șoarecelui în uter până în ziua de 8.5. Acest embrion sintetic a definit regiunile creierului anterior și al creierului mediu, o structură asemănătoare inimii care bate, un trunchi cuprinzând un tub neural, un mugur de coadă care conține progenitori neuromezodermici, un tub intestinal și celule germinale primordiale. Totul era într-un sac extraembrionar5. Astfel, în acest studiu organogeneza a fost mai avansată și mai remarcabilă față de studiul raportat în Cell la 1 august 2022. Poate că utilizarea a două tipuri de celule stem extra-embrionare a îmbunătățit potențialul de dezvoltare al celulelor stem embrionare în acest studiu. Interesant, doar celulele stem embrionare (ESC) naive au fost folosite în studiul anterior.
Aceste realizări sunt cu adevărat remarcabile, deoarece acesta este cel mai îndepărtat punct de până acum în studiile pe embrioni sintetici de mamifere. Capacitatea de a crea un creier de mamifer a fost un obiectiv major al biologiei sintetice. Recrearea procesului natural de dezvoltare embrionară post-implantare în laborator depășește bariera uterină și face posibil ca cercetătorii să studieze cele mai timpurii etape ale vieții care sunt în mod normal ascunse în uter.
În ciuda problemelor etice, realizările în studiile asupra embrionilor sintetici de șoarece vor ghida studiile asupra embrionilor umani sintetici în viitorul apropiat, ceea ce ar putea duce la dezvoltarea și producerea de organe sintetice pentru pacienții care așteaptă transplanturi.
***
Referinte:
- Harrison SE et al 2017. Asamblarea celulelor stem embrionare și extraembrionare pentru a imita embriogeneza in vitro. ŞTIINŢĂ. 2 Mar 2017. Vol 356, Issue 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810
- Warmflash A. 2017. Embrioni sintetici: ferestre în dezvoltarea mamiferelor. Celulă Celulă stem. Volumul 20, Numărul 5, 4 mai 2017, paginile 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001
- Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Embriogeneza șoarecelui ex utero de la pre-gastrulare până la organogeneza târzie. Natura 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
- Tarazi S., et el 2022. Embrionii sintetici post-gastrulație generați ex utero din ESC-uri naive de șoarece. Celulă. Publicat: 01 august 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
- Amadei, G., et al 2022. Embrionii sintetici completează gastrulația până la neurulatie și organogeneză. Publicat: 25 august 2022. Natură. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
***
