Cambridge-wetenschappers kweken 'synthetisch' embryo met hersenen en kloppend hart

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben synthetische modelembryo's gemaakt met hersenen, kloppende harten, met het potentieel om andere organen uit muizenstamcellen te laten groeien. Het onderzoek wordt aangeprezen als een nieuwe manier om de eerste levensfasen na te bootsen.

Een team van onderzoekers onder leiding van professor Magdalena Zernicka-Goetz gebruikte stamcellen om het embryomodel te ontwikkelen in plaats van eieren of sperma. Stamcellen zijn hoofdcellen die zich kunnen ontwikkelen tot bijna elk ander celtype in het lichaam.

Modelembryo's, zoals die welke door de onderzoekers zijn gekweekt, kunnen helpen om meer inzicht te krijgen in waarom sommige embryo's zich ontwikkelen tot een gezonde zwangerschap en andere niet. De resultaten kunnen ook worden gebruikt als leidraad voor reparatie en ontwikkeling van synthetische menselijke organen voor gebruik bij transplantaties.

Om de embryo's te creëren, bootsten onderzoekers natuurlijke processen na om drie soorten stamcellen te begeleiden die werden gevonden in de vroege ontwikkeling van zoogdieren totdat ze begonnen te interageren. De onderzoekers konden de stamcellen met elkaar laten 'praten' door genen te manipuleren en de juiste omgeving voor de cellen te creëren.

Van daaruit organiseerden de stamcellen zichzelf in structuren die kloppende harten en de fundamenten van de hersenen ontwikkelden. Ze groeiden ook de dooierzak waar embryo's tijdens hun eerste levensweken voedingsstoffen uit halen.

Na eerst onderzoek te hebben gedaan, bereikten deze embryo's een punt waarop de hele hersenen, inclusief het voorste gedeelte, zich begonnen te ontwikkelen. Geen enkel ander van stamcellen afgeleid model heeft dit stadium ooit bereikt.

De groep van professor Zernicka-Goetz in Cambridge bestudeert al tien jaar deze vroegste stadia van de zwangerschap. Ze willen begrijpen waarom sommige zwangerschappen mislukken en andere slagen.

"Het stamcelembryomodel is belangrijk omdat het ons toegang geeft tot de zich ontwikkelende structuur in een stadium dat normaal voor ons verborgen is vanwege de implantatie van het kleine embryo in de baarmoeder van de moeder", zei Zernicka-Goetz. "Deze toegankelijkheid stelt ons in staat om genen te manipuleren om hun ontwikkelingsrollen in een experimenteel modelsysteem te begrijpen."

"Ons muisembryomodel ontwikkelt niet alleen hersenen, maar ook een kloppend hart, alle componenten die het lichaam vormen", zegt professor Zernicka-Goetz, professor in zoogdierontwikkeling en stamcelbiologie in Cambridge's Department of Cambridge. Fysiologie, Ontwikkeling en Neurowetenschappen. “Het is gewoon ongelooflijk dat we zo ver zijn gekomen. Dit is al jaren de droom van onze gemeenschap, en een belangrijk aandachtspunt van ons werk voor een decennium en eindelijk hebben we het gedaan.”

Om een ​​menselijk embryo succesvol te laten ontwikkelen, moeten de weefsels die het embryo zullen worden en de weefsels die het embryo met de moeder verbinden, een 'dialoog' hebben. In de eerste week na de bevruchting ontwikkelen zich drie soorten stamcellen: één die de weefsels van het lichaam wordt, en twee die de ontwikkeling van het embryo ondersteunen.

Een van de weefsels die de ontwikkeling van het embryo ondersteunen, is de placenta, die de foetus met de moeder verbindt en zorgt voor zuurstof en voedingsstoffen. De andere is de dooierzak, waar het embryo groeit en voedingsstoffen uit haalt tijdens de vroege ontwikkeling.

Veel zwangerschappen mislukken op het moment dat de drie soorten stamcellen chemische en mechanische signalen naar elkaar beginnen te sturen. Professor Zernicka-Goetz, ook hoogleraar biologie en biologische technologie aan Caltech, legt uit: "Zoveel zwangerschappen mislukken rond deze tijd, voordat de meeste vrouwen beseffen dat ze zwanger zijn. Deze periode is de basis voor al het andere dat volgt tijdens de zwangerschap. Als het misgaat, mislukt de zwangerschap.”

De onderzoekers ontdekten dat de extra-embryonale cellen door chemische signalen signalen naar embryonale cellen sturen. Ze communiceren ook mechanisch, of via aanraking, om de ontwikkeling van het embryo te begeleiden.

“Deze periode van het menselijk leven is zo mysterieus, dus om te kunnen zien hoe het gebeurt in een gerecht – om toegang te hebben tot deze individuele stamcellen, om te begrijpen waarom zoveel zwangerschappen mislukken en hoe we dat kunnen voorkomen – is best bijzonder”, aldus Zernicka-Goetz. “We hebben gekeken naar de dialoog die er op dat moment moet komen tussen de verschillende soorten stamcellen – we hebben laten zien hoe het ontstaat en hoe het mis kan gaan.”

Het model is ook het eerste dat de ontwikkeling van het voorste deel van de hersenen signaleert, en inderdaad de hele hersenen. "Dit opent nieuwe mogelijkheden om de mechanismen van neurologische ontwikkeling in een experimenteel model te bestuderen," zei Zernicka-Goetz.

"In feite demonstreren we het bewijs van dit principe in het artikel door een gen uit te schakelen waarvan al bekend is dat het essentieel is voor de vorming van de neurale buis, de voorloper van het zenuwstelsel, en voor de ontwikkeling van hersenen en ogen. Bij afwezigheid van dit gen vertonen de synthetische embryo's precies de bekende defecten in de hersenontwikkeling als bij een dier dat deze mutatie draagt. Dit betekent dat we dit soort benadering kunnen gaan toepassen op de vele genen met onbekende functie in de hersenontwikkeling.”

Huidig ​​onderzoek werd gedaan in muismodellen, maar de onderzoekers ontwikkelen vergelijkbare menselijke modellen. Deze kunnen worden gebruikt om specifieke orgaantypes te genereren om processen te begrijpen die anders onmogelijk zouden zijn om in echte embryo's te bestuderen.

Momenteel staat de Britse wet toe dat menselijke embryo's slechts tot de 14e dag van ontwikkeling in het laboratorium worden bestudeerd. Als blijkt dat de methoden die zijn ontwikkeld door het team van Zernicka-Goetz in de toekomst succesvol zijn bij menselijke stamcellen, kunnen ze ook worden gebruikt om de ontwikkeling van synthetische organen te begeleiden voor patiënten die wachten op transplantatie.

Zernicka-Goetz zei: “Er zijn zoveel mensen over de hele wereld die jaren wachten op orgaantransplantaties. Wat ons werk zo opwindend maakt, is dat de kennis die eruit voortkomt, kan worden gebruikt om correcte synthetische menselijke organen te laten groeien om levens te redden die momenteel verloren gaan. Het moet ook mogelijk zijn om volwassen organen aan te tasten en te genezen door gebruik te maken van de kennis die we hebben over hoe ze worden gemaakt.”

Ze voegde eraan toe: “Dit is een ongelooflijke stap voorwaarts en het heeft 10 jaar hard werk van veel van mijn teamleden gekost – ik had nooit gedacht dat we hier zouden komen. Je denkt nooit dat je dromen uitkomen, maar ze zijn wel gebeurd.”

Lees hier het hele verhaal ...