Wszyscy dzielimy podobną historię. Nasze ciała składające się z ok. 30 trylionów komórek zaczęły się z zaledwie dwóch: plemnika (zawierającego materiał genetyczny ojca) i komórki jajowej (z materiałem genetycznym matki), połączonych w momencie zapłodnienia. Powstała zygota po 24 godzinach zaczyna się intensywnie dzielić, tworząc wielokomórkowy zarodek. Poszczególne etapy rozwoju zarodkowego i płodowego (płód to ok. 3-centymetrowy zarodek zawierający zawiązki wszystkich narządów i wyglądem przypominający człowieka) są całkiem dobrze znane, ale wciąż jest wiele informacyjnych luk do wypełnienia.
Badanie rozwoju zarodkowego jest o tyle skomplikowane, że ze względów etycznych w warunkach laboratoryjnych nie można pracować na ludzkich embrionach. Konieczne jest tworzenie uproszczonych modeli, choćby z wykorzystaniem komórek macierzystych. Tak zrobili naukowcy z izraelskiego Weizmann Institute pod kierunkiem prof. Jacoba Hanny, którzy wyhodowali syntetyczny model embrionu bez użycia plemnika i komórki jajowej. Udało się utrzymać jego rozwój poza macicą aż do 14. dnia – powstały twór miał wszystkie struktury charakterystyczne dla ludzkich embrionów na tym etapie, m.in. łożysko, pęcherzyk żółtkowy i woreczek kosmówkowy. Badania opisane w Nature mogą być przełomowe w kontekście naszego rozumienia pierwszych tygodni życia człowieka.
Agregaty komórkowe uzyskane z ludzkich komórek macierzystych w poprzednich badaniach nie można było uznać za dokładne modele zarodków ludzkich, ponieważ brakowało im prawie wszystkich cech charakterystycznych embrionu poimplantacyjnego. Nie miały kilku typów komórek niezbędnych do rozwoju zarodka, takich jak te, które tworzą łożysko i kosmówkę. Były przy tym pozbawione strukturalnej gradacji charakterystycznej dla zarodka i nie wykazywały zdolności do przejścia do kolejnego etapu rozwojowego. Modele uzyskane przez zespół prof. Hanny są przełomowe.
Odczytać czarną skrzynkę
Pierwsze tygodnie po zapłodnieniu komórki jajowej przez plemnik to okres dramatycznych zmian. Zlepek komórek, który wszczepia się do macicy po siedmiu dniach, w ciągu 3-4 tygodni staje się dobrze rozwiniętym płodem, który można rozpoznać na badaniu USG. Ale właśnie ten “wrażliwy” czas jest głównym źródłem poronień i wad wrodzonych, a przy tym jest wyjątkowo słabo poznany.
Czytaj też: Nowy oręż w walce z HIV. Te komórki potrafią zdziałać cuda – pierwsza pacjentka już wyleczona
Prof. Jacob Hanna z Weizmann Institute mówi:
Dramatyczne rzeczy dzieją się w pierwszych 3-4 tygodniach, pozostałe osiem miesięcy ciąży to głównie intensywny rozwój. Ale ten pierwszy miesiąc to nadal w dużej mierze czarna skrzynka. Nasz model ludzkiego embrionu pochodzącego z komórek macierzystych oferuje etyczny i przystępny sposób wglądu w tę skrzynkę. Bardzo naśladuje rozwój prawdziwego ludzkiego embrionu, szczególnie pojawienie się jego niezwykle pięknej architektury.
Zespół prof. Hanny ma doświadczenie w tworzeniu modeli embrionów myszy na bazie syntetycznych komórek macierzystych. Także w tym przypadku, naukowcy nie użyli ani plemników, ani komórek jajowych, a tzw. indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC), które mają zdolność różnicowania się w wiele typów komórek (ale nie wszystkie). Pochodzenie iPSC było różne – niektóre uzyskano poprzez “cofnięcie” w rozwoju dorosłych komórek skóry, a inne pochodziły z linii ludzkich komórek macierzystych hodowanych przez lata w laboratorium.
Następnie wykorzystano specjalnie przygotowany koktajl chemiczny, by iPSC jeszcze bardziej cofnęły się w rozwoju do tzw. stanu naiwnego, w którym to mogą stać się dosłownie każdym typem komórek. W ten sposób udało się zmusić komórki macierzyste do przekształcenia w cztery typy komórek występujących na najwcześniejszych etapach rozwoju zarodkowego: komórki epiblastu, które stają się właściwym zarodkiem (lub płodem); komórki trofoblastu, które stają się łożyskiem; komórki hipoblastyczne, które stają się pęcherzykiem żółtkowym i komórki mezodermy pozazarodkowej, które tworzą kosmówkę. Zmieszano łącznie ok. 120 różnych komórek, a ok. 1 proc. samoorganizował się w kompletne struktury przypominające zarodek.
Prof. Jacob Hanna dodaje:
Embrion z definicji kieruje się sobą; nie musimy mówić mu, co ma robić – musimy jedynie uwolnić jego wewnętrznie zakodowany potencjał. Bardzo ważne jest, aby na początku wymieszać odpowiednie rodzaje komórek, które można uzyskać wyłącznie z komórek macierzystych w stanie naiwnym, które nie mają ograniczeń rozwojowych. Gdy to zrobisz, model przypominający embrion sam powie: “Idź”!
Pierwszy kompletny syntetyczny embrion w historii
Kiedy naukowcy porównali wewnętrzną organizację wyhodowanych modeli syntetycznych embrionów z ilustracjami i zdjęciami z atlasów embriologicznych, odkryli niesamowite podobieństwo strukturalne obu struktur. Każdy przedział i konstrukcja nośna nie tylko tam były, ale znajdowały się we właściwym miejscu, rozmiarze i kształcie. Nawet komórki wytwarzające hormon wykrywany w testach ciążowych (gonadotropina kosmówkowa) były obecne i aktywne. Kiedy naukowcy zastosowali wydzielinę tych komórek do komercyjnego testu ciążowego, wynik był pozytywny. To oznaczało, że stworzone modele wiernie naśladowały proces, w wyniku którego embrion zyskuje wszystkie struktury niezbędne do dalszego rozwoju. Można je po raz pierwszy w historii nazwać “kompletnymi” syntetycznymi embrionami.
Czytaj też: Hybryda człowieka z szympansem – brzmi jak horror?
Prof. Jacob Hanna wyjaśnia:
Wiele niepowodzeń w czasie ciąży ma miejsce w ciągu pierwszych kilku tygodni, często zanim kobieta w ogóle zdaje sobie sprawę, że jest w ciąży. Wtedy też powstaje wiele wad wrodzonych, chociaż zwykle odkrywa się je znacznie później. Nasze modele można wykorzystać do ujawnienia sygnałów biochemicznych i mechanicznych zapewniających prawidłowy rozwój na tym wczesnym etapie oraz sposobów, w jakie ten rozwój może pójść nie tak.
Eksperyment izraelskich uczonych już przyniósł pierwsze cenne odkrycie, które może być cenne podczas badań nad niepowodzeniem wczesnej ciąży. Okazało się, że jeśli w 3. dniu protokołu (co odpowiada 10. dniu naturalnego rozwoju embrionalnego) zarodek nie zostanie prawidłowo otoczony komórkami tworzącymi łożysko, jego struktury wewnętrzne (jak pęcherzyk żółtkowy) nie będą się prawidłowo rozwijać.
Struktury embrionalnopodobne oparte na komórkach macierzystych (SEM) mogły rosnąć i rozwijać się, aż stały się porównywalne do embrionów 14 dni po zapłodnieniu. W wielu krajach jest to granica prawna dla badań nad ludzkimi embrionami powstałymi w wyniku połączenia plemnika z komórką jajową. Pytanie, czy można by kontynuować rozwój zarodka po wspomnianych 14 dniach? Nie byłoby to nielegalne, nawet w krajach europejskich, ponieważ syntetyczne modele embrionalne nie mają swojej tożsamości genetycznej – nie mają ani ojca, ani matki, więc trudno nazwać je “ludzkimi”. To twory powstałe z komórek macierzystych, choć pod względem technicznym zbliżone do dzieci rozwijających się podczas ciąży. Czy zatem syntetyczne embriony powinny być regulowane prawnie w ten sam sposób, co naturalne ludzkie zarodki? To pytanie na razie pozostaje bez odpowiedzi.