Kunstmatige embryomodellen kunnen orgaangroei voor implantaten mogelijk maken

Zonder ei, sperma of baarmoeder: kunstmatige muisembryomodellen gemaakt van alleen stamcellen

Het ei ontmoet het sperma – dit is een noodzakelijke eerste stap in het begin van het leven. In embryogenese-onderzoek is het ook een veel voorkomende eerste stap. Echter, in een nieuwe studie gepubliceerd op 1 augustus 2022 in het tijdschrift celOnderzoekers van het Weizmann Institute of Science hebben kunstmatige muisembryomodellen buiten de baarmoeder ontwikkeld door alleen te beginnen met stamcellen die in een petrischaaltje zijn gekweekt. Dit betekent dat ze worden gekweekt zonder het gebruik van bevruchte eieren. Deze methode opent nieuwe wegen om te bestuderen hoe stamcellen verschillende organen vormen in het zich ontwikkelende embryo. Het kan op een dag ook mogelijk worden om weefsels en organen te kweken voor implantatie met behulp van kunstmatige embryomodellen.

Video met een model van een kunstmatig muizenembryo op de achtste dag van zijn ontwikkeling; Het heeft een kloppend hart, dooierzak, placenta en een opkomende bloedsomloop.

“Het embryo is de beste machine voor het maken van organen en de beste biologische 3D-printer – we hebben geprobeerd te simuleren wat het doet”, zegt professor Jacob Hanna van de afdeling Moleculaire Genetica van Weizmann, die het onderzoeksteam leidde.

Hanna legt uit dat wetenschappers al weten hoe ze rijpe cellen terug kunnen brengen naar de ‘stam’. In feite wonnen de pioniers van deze cellulaire herprogrammering de Nobelprijs in 2012. Het is echter moeilijker gebleken om in de tegenovergestelde richting te gaan, namelijk stamcellen laten differentiëren tot gespecialiseerde lichaamscellen, om nog maar te zwijgen van de vorming van hele organen.

Tot op heden waren gespecialiseerde cellen in de meeste onderzoeken vaak moeilijk te produceren of scheef te trekken, en hadden ze de neiging om een ​​mengsel te vormen in plaats van het goed georganiseerde weefsel dat geschikt was voor transplantatie. We waren in staat om deze obstakels te overwinnen door het zelfregulerende potentieel te ontketenen dat is gecodeerd in stamcellen.”

(van links naar rechts): dr. Noa Nofershern, Professor Jacob Hanna, Alejandro Aguilera Castrigón, Shadi Tarazi en Karen Gibran. Krediet: Weizmann Institute of Science

Hanna’s team bouwde voort op twee eerdere vorderingen in zijn lab. Een Het was een effectieve manier om stamcellen te herprogrammeren naar een naïeve staat – dat wil zeggen, naar hun vroegste stadia – wanneer ze het grootste potentieel hebben om zich te specialiseren in verschillende soorten cellen. anderBeschreven in een wetenschappelijk artikel in de taal de natuur temperen In maart 2021, het elektronisch gestuurde apparaat dat het team gedurende zeven jaar met vallen en opstaan ​​had ontwikkeld om normale muisembryo’s buiten de baarmoeder te laten groeien. Het apparaat houdt de foetussen ondergedompeld in een voedingsoplossing in de constant bewegende bekers, en bootst de manier na waarop voedingsstoffen worden geleverd door de bloedstroom naar de placenta, waarbij de uitwisseling van zuurstof en atmosferische druk nauwlettend wordt gecontroleerd. In eerder onderzoek gebruikte het team dit apparaat met succes om normale muisembryo’s te kweken van dag vijf tot dag elf.

Dit is hoe modellen van kunstmatige muisembryo’s buiten de baarmoeder groeiden: video die het apparaat in actie laat zien. De constant bewegende cups bootsen de natuurlijke toevoer van voedingsstoffen na, terwijl de uitwisseling van zuurstof en atmosferische druk strak worden gecontroleerd.

In de nieuwe studie wilde het team alleen een kunstmatig embryomodel laten groeien uit naïeve muisstamcellen die jarenlang in een petrischaaltje waren gekweekt, waardoor het niet meer nodig was om met een bevruchte eicel te beginnen. Deze benadering is zeer waardevol omdat het de technische en ethische kwesties die bij het gebruik van natuurlijke embryo’s voor onderzoek en biotechnologie komen kijken, voor een groot deel kan omzeilen. Zelfs in het geval van muizen zijn sommige experimenten momenteel nutteloos omdat ze duizenden embryo’s nodig hebben, terwijl de toegang tot modellen die zijn afgeleid van muizenembryocellen, die met miljoenen in laboratoriumincubatoren groeien, praktisch onbeperkt is.

“Het embryo is de beste machine voor het maken van organen en de beste 3D-bioprinter – we hebben geprobeerd te simuleren wat het doet.”

Alvorens de stamcellen in het apparaat te plaatsen, verdeelden de onderzoekers ze in drie groepen. In een daarvan, die cellen bevatte die bedoeld waren om zich zelf tot embryonale organen te ontwikkelen, werden de cellen gelaten zoals ze zijn. Cellen in de andere twee groepen ondergingen slechts 48 uur voorbehandeling om een ​​van de twee soorten genen tot overexpressie te brengen: de placenta of dooierzak hoofdregulatoren. “We hebben deze twee groepen cellen een tijdelijke impuls gegeven om weefsel buiten het embryo te veroorzaken dat de ontwikkeling van de foetus ondersteunt”, zegt Hanna.

Ontwikkeling van kunstmatige embryomodellen van dag 1 (linksboven) tot dag 8 (rechtsonder). Al hun vroege voorouders vormden zich, inclusief het kloppende hart, de opkomende bloedsomloop, de hersenen, de neurale buis en het darmkanaal. Krediet: Weizmann Institute of Science

Kort nadat ze in het apparaat waren gemengd, kwamen de drie groepen cellen samen in klonten, waarvan de overgrote meerderheid zich niet goed ontwikkelde. Maar ongeveer 0,5 procent – 50 van de ongeveer 10.000 – bleef ballen vormen, die elk later een langwerpige, embryo-achtige structuur werden. Omdat de onderzoekers elke groep cellen een andere kleur noemden, konden ze de placenta en de dooierzakken observeren die zich buiten de embryo’s vormen en hoe het patroon vorderde zoals bij een normale foetus. Deze synthetische modellen ontwikkelden zich normaal tot dag 8.5 – ongeveer de helft van de 20-daagse draagtijd van een muis – op welk punt alle voorouders van de vroege organen waren gevormd, inclusief het kloppend hart, de bloedstamcelcyclus, hersenen met goed gevormde plooien, zenuwbuis en orgaan enterisch. In vergelijking met normale muizenembryo’s vertoonden de synthetische modellen een overeenkomst van 95 procent in zowel de vorm van de interne structuren als de genexpressiepatronen van de verschillende celtypen. De organen die in de modellen voorkomen, gaven elk een indicatie van functioneel zijn.

Achtste dag in het leven van een muizenembryo: een kunstmatig model (boven) en een normaal embryo (onder). De ultrastructurele modellen vertoonden 95 procent overeenkomst in zowel de vorm van de interne structuren als de genexpressiepatronen van de verschillende celtypen. Krediet: Weizmann Institute of Science

Voor Hanna en andere onderzoekers op het gebied van stamcellen en embryonale ontwikkeling introduceert de studie een nieuw veld: “De volgende uitdaging is begrijpen hoe stamcellen weten wat ze moeten doen – hoe ze zichzelf in organen assembleren en hun weg vinden naar hun aangewezen plaatsen in het embryo. Omdat ons systeem, op de omgekeerde baarmoeder, transparant, nuttig kan zijn voor het modelleren van geboorteafwijkingen en implantatie van menselijke embryo’s.”

Naast het helpen verminderen van het gebruik van dieren in onderzoek, kunnen modellen van kunstmatige embryo’s in de toekomst een betrouwbare bron worden van cellen, weefsels en organen voor transplantatie. “In plaats van een ander protocol te ontwikkelen voor het kweken van elk type cel – bijvoorbeeld nier- of levercellen – kunnen we op een dag misschien een model maken dat lijkt op een kunstmatig embryo en dan de cellen isoleren die we nodig hebben. om opkomende organen te dicteren hoe ze zich moeten ontwikkelen. De foetus zelf doet het beter.”

Een schematisch diagram dat de innovatieve methode toont voor het kweken van modellen van kunstmatige muizenembryo’s uit stamcellen – zonder ei, sperma of baarmoeder – ontwikkeld in het laboratorium van professor Jacob Hanna. Krediet: Weizmann Institute of Science

Referentie: “Post-gastrische kunstmatige embryo’s gegenereerd ectopische van muis-naïeve ESC’s” door Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera Castrigón, Karen Jubran, Nader Ghanem, Shahd El Choukhi, Francesco Roncato, Emily Wildschutz, Montaser Haddad, Bernardo Oldschutz, Nir Livnat, Sergey Vyukov , 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. augustus 2022, cel.
DOI: 10.1016 / j.cell.2022.07.028

Dit onderzoek werd mede geleid door Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera-Castrijón en Karen Gibran van de Weizmann-afdeling Moleculaire Genetica. Deelnemers aan de studie waren ook Shahd Achoukhi, Dr. Divisie; Montaser Haddad en professor Zvi Lapidot van de afdeling Immunologie en Regeneratieve Biologie van Weizmann; Merav Kadi van de divisie Weizmann Life Sciences Basic Facilities; Hadas Keren Shaul van het Israëlische Nancy en Stephen Grand Center for Personalised Medicine; dr.. Nader Ghanem, Dr. Soheir Hanna en Dr. Itai Maza van het Rambam Healthcare Complex.

Het onderzoek van professor Jacob Hanna wordt ondersteund door het Dr. Barry Sherman Institute of Medicinal Chemistry. Helen en Martin Kimmel Instituut voor stamcelonderzoek; Pascal en Ilana Manto.