Znanstvenici su u laboratoriju ponovili prirodni proces embrionalnog razvoja sisavaca do točke razvoja mozga i srca. Koristeći matične stanice, istraživači su stvorili sintetičke mišje embrije izvan maternice koji su rekapitulirali prirodni proces razvoja u maternici do dana 8.5. Ovo je prekretnica u sintetičkoj biologiji. U budućnosti, to će voditi studije o ljudskim sintetskim embrijima, koji pak mogao uvod u razvoj i proizvodnju sintetičkih organi za pacijente koji čekaju transplantaciju.
Embrij se obično shvaća kao srednji razvojni stadij u sekvencijalnom prirodnom fenomenu reprodukcije koju pokreće susret spermija s jajnom stanicom kako bi se formirala zigota, koja se dijeli i postaje zametak, nakon čega slijedi razvoj u fetus i novorođenče nakon završetka gestacije.
Napredak embrionalne stanice nuklearni prijenos vidio primjer preskakanja koraka oplodnje jajašca spermom. Godine 1984. embrij je stvoren iz jajašca u kojem je njegova originalna haploidna jezgra uklonjena i zamijenjena jezgrom embrionalne stanice donora koja je uspješno prošla razvoj u surogat da bi rodila prvu kloniranu bebu ovce. Uz savršenstvo prijenosa jezgre somatskih stanica (SCNT), ovca Dolly stvorena je 1996. godine iz zrele odrasle stanice. Bio je to prvi slučaj kloniranja sisavca iz odrasle stanice. Slučaj Dolly otvorio je i mogućnost razvoja personaliziranih matičnih stanica. U oba slučaja nije korišten spermij, ali je jajna stanica (sa zamijenjenom jezgrom) izrasla da postane embrij. Dakle, kao takvi, ti su embriji još uvijek bili prirodni.
Mogu li se embriji stvoriti bez sudjelovanja čak i jajne stanice? Ako je tako, takvi bi embriji bili sintetski do te mjere da se ne bi koristile gamete (spolne stanice). Danas se takvi embriji (ili 'slični embriju' ili embrioidi) rutinski stvaraju korištenjem embrionalnih matičnih stanica (ESC) i uzgajaju vitro u laboratoriju.
Među sisavcima, miševima je potrebno relativno kratko razdoblje (19-21 dan) za razmnožavanje, što mišji embrij čini prikladnim modelom za proučavanje. Od ukupnog razdoblja, prije implantacije je oko 4-5 dana, dok je preostalih 15 dana (oko 75% od ukupnog broja) nakon implantacije. Za postimplantacijski razvoj, embrij se mora implantirati unutar maternice što ga čini nedostupnim za promatranje izvana. Ova ovisnost o maternici majke predstavlja prepreku u istraživanju.
2017. godina bila je značajna u povijesti kulture embrija sisavaca. Napori da se stvore sintetički mišji embriji dobili su poticaj kada su istraživači jasno pokazali da embrionalne matične stanice imaju sposobnost samosastavljanja i samoorganiziranja vitro da bi se stvorile strukture nalik na embrije koje su na važne načine sličile prirodnim embrijima1,2. Međutim, postojala su ograničenja koja proizlaze iz materični barijere. Kultiviranje embrija prije implantacije je rutina vitro ali bilo kakva robusna platforma za ex-utero kulturu postimplantacijskog mišjeg embrija (od stadija cilindra jajeta do napredne organogeneze) nije bila dostupna. Proboj u rješavanju ovog problema dogodio se prošle godine 2021. kada je istraživački tim predstavio platformu kulture koja je bila učinkovita za postimplantacijski razvoj mišjeg embrija izvan majčine maternice. Utvrđeno je da embrij uzgojen na ovoj platformi ex utero precizno rekapitulira in utero razvoj3. Ovaj razvoj prevladao je barijere maternice i omogućio istraživačima da bolje razumiju postimplantacijsku morfogenezu te je tako pomogao da projekt sintetskog embrija dođe u naprednu fazu.
Sada su dvije istraživačke skupine izvijestile o uzgoju sintetičkog mišjeg embrija 8.5 dana, što je najdulje do sada. Ovo je bilo dovoljno dugo za jasno organi (kao što je lupanje srca, crijevna cijev, neuralni nabor itd.) da su se razvili. Ovaj najnoviji napredak je doista izvanredan.
Kao što je objavljeno u Cellu 1. kolovoza 2022., istraživački tim generirao je sintetičke embrije miševa koristeći samo naivne embrionalne matične stanice (ESC) izvan majčine maternice. Koagregirali su matične stanice i obradili ih pomoću nedavno razvijene platforme kulture za produljeno vrijeme ex-utero rast kako bi se dobio postgastrulacijski sintetski cijeli embrij s embrionalnim i izvanembrionalnim odjeljcima. Sintetski embrij je zadovoljavajuće postigao prekretnice za stadij mišjih embrija od 8.5 dana. Ova studija naglašava sposobnost naivnih pluripotentnih stanica da se same okupljaju i samoorganiziraju te modeliraju cijeli embrij sisavaca izvan gastrulacije4.
U najnovijoj studiji objavljenoj u časopisu Nature 25. kolovoza 2022. istraživači su koristili i izvanembrionalne matične stanice kako bi proširili razvojni potencijal embrionalnih matičnih stanica (ESC). Sastavili su sintetičke embrije in vitro koristeći mišje ESC, TSC i iXEN stanice koje su rekapitulirale cijeli prirodni embrionalni razvoj miša u maternici do dana 8.5. Ovaj sintetski embrij imao je definirane regije prednjeg i srednjeg mozga, strukturu sličnu kucajućem srcu, deblo koje se sastoji od neuralne cijevi, repni pupoljak koji sadrži neuromezodermalne preteče, crijevnu cijev i primordijalne zametne stanice. Cijela stvar je bila unutar ekstraembrionalne vrećice5. Stoga je u ovoj studiji organogeneza bila naprednija i značajnija u odnosu na studiju objavljenu u Cellu 1. kolovoza 2022. Možda je upotreba dviju vrsta ekstraembrionalnih matičnih stanica poboljšala razvojni potencijal embrionalnih matičnih stanica u ovoj studiji. Zanimljivo je da su u prethodnoj studiji korištene samo naivne embrionalne matične stanice (ESC).
Ova su postignuća doista izvanredna jer je ovo najudaljenija točka dosad u studijama o sintetičkim embrijima sisavaca. Sposobnost stvaranja mozga sisavaca bio je glavni cilj sintetičke biologije. Ponovno stvaranje prirodnog procesa postimplantacijskog razvoja embrija u laboratoriju prevladava barijeru maternice i omogućuje istraživačima proučavanje najranijih faza života koje je inače skriveno u maternici.
Bez obzira na etička pitanja, postignuća u studijama o mišjim sintetskim embrijima usmjerit će studije o ljudskim sintetskim embrijima u bliskoj budućnosti, što bi moglo dovesti do razvoja i proizvodnje sintetskih organa za pacijente koji čekaju transplantaciju.
***
Reference:
- Harrison SE dr. 2017. Sastavljanje embrionalnih i ekstraembrionalnih matičnih stanica za oponašanje embriogeneze in vitro. ZNANOST. 2. ožujka 2017. Svezak 356, izdanje 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810
- Warmflash A. 2017. Sintetski embriji: Prozori u razvoj sisavaca. Stanica Matična stanica. Svezak 20, broj 5, 4. svibnja 2017., stranice 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001
- Aguilera-Castrejon, A., sur. 2021. Embriogeneza miša ex utero od predgastrulacije do kasne organogeneze. Priroda 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
- Tarazi S., et el 2022. Sintetski embriji nakon gastrulacije stvoreni ex utero iz mišjih naivnih ESC. Ćelija. Objavljeno: 01. kolovoza 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
- Amadei, G., dr. 2022. Sintetski embriji dovršavaju gastrulaciju do neurulacije i organogeneze. Objavljeno: 25. kolovoza 2022. Priroda. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
***
