Modely umělých embryí mohou umožnit růst orgánů pro implantát

Bez vajíčka, spermatu nebo dělohy: Umělé modely myších embryí vytvořené pouze z kmenových buněk

Vajíčko se setkává se spermií – to je nezbytný první krok na začátku života. Ve výzkumu embryogeneze je to také běžný první krok. Nicméně v nové studii zveřejněné 1. srpna 2022 v časopise buňkaVědci z Weizmann Institute of Science vyvinuli umělé modely myších embryí mimo dělohu tak, že začali pouze s kmenovými buňkami kultivovanými v Petriho misce. To znamená, že jsou pěstovány bez použití oplozených vajíček. Tato metoda otevírá nové cesty pro studium toho, jak kmenové buňky tvoří různé orgány ve vyvíjejícím se embryu. Jednou také možná umožní růst tkání a orgánů pro implantaci pomocí modelů umělých embryí.

Video ukazující model umělého myšího embrya v osmý den jeho vývoje; Má tlukoucí srdce, žloutkový váček, placentu a vznikající oběhový systém.

„Embryo je nejlepší stroj na výrobu orgánů a nejlepší biologická 3D tiskárna – pokusili jsme se simulovat, co dělá,“ říká profesor Jacob Hanna z oddělení molekulární genetiky ve Weizmann, který vedl výzkumný tým.

Hanna vysvětluje, že vědci už vědí, jak vrátit zralé buňky do ‚kmenu‘. Ve skutečnosti průkopníci tohoto buněčného přeprogramování získali Nobelovu cenu v roce 2012. Avšak jít opačným směrem, tedy přimět kmenové buňky, aby se diferencovaly na specializované tělesné buňky, nemluvě o tvorbě celých orgánů, se ukázalo jako obtížnější.

K dnešnímu dni bylo ve většině studií specializované buňky často buď obtížné produkovat, nebo byly zkreslené, a měly tendenci tvořit spíše směs než dobře organizovanou tkáň vhodnou pro transplantaci. Tyto překážky jsme dokázali překonat uvolněním samoregulačního potenciálu zakódovaného v kmenových buňkách.“

(zleva doprava): Dr. Noa Nofershern, profesor Jacob Hanna, Alejandro Aguilera Castrigón, Shadi Tarazi a Karen Gibran. Kredit: Weizmannův vědecký ústav

Hannin tým navázal na dva předchozí pokroky v jeho laboratoři. Jeden Byl to účinný způsob, jak přeprogramovat kmenové buňky do naivního stavu – tedy do jejich nejranějších fází – kdy mají největší potenciál specializovat se na různé typy buněk. jinýPopsáno ve vědeckém článku v jazyce temperamentní povaha V březnu 2021, elektronicky řízené zařízení, které tým vyvinul během sedmi let pokusů a omylů, aby vyrostl normální myší embrya mimo dělohu. Zařízení udržuje plody ponořené v živném roztoku uvnitř neustále se pohybujících pohárků, čímž napodobuje způsob, jakým jsou živiny dodávány průtokem krve do placenty, a pečlivě kontroluje výměnu kyslíku a atmosférický tlak. V předchozím výzkumu tým úspěšně použil toto zařízení k růstu normálních myších embryí od pátého do jedenáctého dne.

Takto vyrostly modely umělých myších embryí mimo dělohu: video ukazující zařízení v akci. Neustále se pohybující pohárky napodobují přirozený přísun živin, přičemž výměna kyslíku a atmosférický tlak jsou přísně kontrolovány.

V nové studii se tým rozhodl vypěstovat model umělého embrya pouze z naivních myších kmenových buněk, které byly roky kultivovány v Petriho misce, což eliminuje potřebu začínat s oplodněným vajíčkem. Tento přístup je velmi cenný, protože může do značné míry obejít technické a etické problémy spojené s používáním přirozených embryí ve výzkumu a biotechnologii. I v případě myší jsou některé experimenty v současnosti zbytečné, protože vyžadují tisíce embryí, zatímco přístup k modelům odvozeným z myších embryonálních buněk, kterých rostou v laboratorních inkubátorech po milionech, je prakticky neomezený.

„Embryo je nejlepší stroj na výrobu orgánů a nejlepší 3D biotiskárna – pokusili jsme se simulovat, co dělá.“

Před umístěním kmenových buněk do zařízení je vědci rozdělili do tří skupin. V jedné z nich, která obsahovala buňky určené k vývoji v samotné embryonální orgány, byly buňky ponechány tak, jak jsou. Buňky v dalších dvou skupinách byly podrobeny předběžnému ošetření pouze 48 hodin, aby došlo k nadměrné expresi jednoho ze dvou typů genů: hlavních regulátorů placenty nebo žloutkového váčku. „Dali jsme těmto dvěma skupinám buněk přechodný impuls, aby způsobily tkáň mimo embryo, která udržuje vývoj plodu,“ říká Hanna.

Vývoj modelů umělých embryí od 1. dne (vlevo nahoře) do 8. dne (vpravo dole). Vytvořili se všichni jejich raní předkové, včetně tlukoucího srdce, vznikajícího oběhového systému, mozku, neurální trubice a střevního traktu. Kredit: Weizmannův vědecký ústav

Brzy po jejich smíchání v zařízení se tři skupiny buněk spojily do shluků, z nichž velká většina se nedokázala správně vyvinout. Ale asi 0,5 procenta – 50 z asi 10 000 – nadále tvořilo kuličky, z nichž každá se později stala podlouhlou strukturou podobnou zárodku. Protože vědci označili každou skupinu buněk jinou barvou, byli schopni pozorovat placentu a žloutkové váčky, které se tvoří mimo embrya, a jak postupuje vzor jako u normálního plodu. Tyto syntetické modely se vyvíjely normálně až do 8.5. dne – zhruba do poloviny 20denního gestačního období myši – v tomto okamžiku se vytvořily všechny progenitory raných orgánů, včetně tlukoucího srdce, cyklu krevních kmenových buněk, mozku s dobře tvarovanými záhyby, nervová trubice a orgán enterální. Ve srovnání s normálními myšími embryi vykazovaly syntetické modely 95procentní podobnost jak ve tvaru vnitřních struktur, tak ve vzorcích genové exprese různých typů buněk. Každý z orgánů, které se objevují v modelech, naznačoval, že jsou funkční.

Osmý den v životě myšího embrya: umělý model (nahoře) a normální embryo (dole). Ultrastrukturální modely ukázaly 95procentní podobnost jak ve tvaru vnitřních struktur, tak ve vzorcích genové exprese různých typů buněk. Kredit: Weizmannův vědecký ústav

Pro Hannu a další výzkumníky v oblasti kmenových buněk a embryonálního vývoje představuje studie nový obor: „Další výzvou je porozumět tomu, jak kmenové buňky vědí, co mají dělat – jak se samy skládají do orgánů a nacházejí cestu ke svým určeným míst v embryu. Protože náš systém na převrácené děloze, průhledný, může být užitečný pro modelování vrozených vad a implantaci lidských embryí.“

Kromě toho, že pomohou snížit využívání zvířat ve výzkumu, mohou se modely umělých embryí v budoucnu stát spolehlivým zdrojem buněk, tkání a orgánů pro transplantaci. „Místo vývoje jiného protokolu pro pěstování každého typu buněk – například buněk ledvin nebo jater – budeme možná jednoho dne schopni vytvořit model podobný umělému embryu a pak izolovat buňky, které potřebujeme. Nebudeme potřebovat diktovat vznikajícím orgánům, jak se mají vyvíjet. Samotný plod to dělá lépe.“

Schematický diagram znázorňující inovativní metodu pro pěstování modelů umělých myších embryí z kmenových buněk – bez vajíčka, spermatu nebo dělohy – vyvinutou v laboratoři profesora Jacoba Hanny. Kredit: Weizmannův vědecký ústav

Reference: “Postgastrická umělá embrya generovaná mimoděložní z myších naivních ESC” od Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera Castrigón, Karen Jubran, Nader Ghanem, Shahd El Choukhi, Francesco Roncato, Emily Wildschutz, Montaser Vyddad, Bernardo Livnatz, S Nierge , Dmitriy Lokshtanov, Segev Naveh-Tasa, Max Rose, Suhair Hanna, Kalanit Raanan, Ori Brenner, Merav Kidmi, Hadas Keren Shaul, Zvi Lapidot, Itai Mazza, No Noferstern, Jacob H. srpen 2022, buňka.
DOI: 10.1016 / j.cell.2022.07.028

Tento výzkum společně vedli Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera-Castrijón a Karen Gibran z Weizmannova oddělení molekulární genetiky. Mezi účastníky studie patřili také Shahd Achoukhi, Dr. Divize; Montaser Haddad a profesor Zvi Lapidot z Ústavu imunologie a regenerativní biologie ve Weizmannu; Merav Kadi z Weizmann Life Sciences Division Basic Facilities Division; Hadas Keren Shaul z izraelského centra Nancy a Stephena Grand pro personalizovanou medicínu; Dr. Nader Ghanem, Dr. Soheir Hanna a Dr. Itai Maza z Rambam Healthcare Complex.

Výzkum profesora Jacoba Hanny je podporován Institutem lékařské chemie Dr. Barryho Shermana. Institut Helen a Martina Kimmelových pro výzkum kmenových buněk; Pascal a Ilana Manto.