Istraživački tim na čelu sa profesorom Džejkobom Hanom sa Vajcmanovog instituta za nauku kreirao je kompletne modele ljudskih embriona od matičnih ćelija kultivisanih u laboratoriji — i uspeo da ih uzgaja van materice do 14. dana. Kako je danas objavljeno u Nature, ovi modeli sintetičkih embriona imali su sve strukture i kompartmente karakteristične za ovu fazu, uključujući placentu, žumančanu kesu, horionsku kesu i druga spoljna tkiva koja obezbeđuju dinamičan i adekvatan rast modela.
Ćelijski agregati dobijeni iz ljudskih matičnih ćelija u prethodnim studijama nisu se mogli smatrati istinski tačnim modelima ljudskih embriona, jer su im nedostajali skoro svi definitivni obeležja postimplantacionog embriona. Konkretno, nisu uspeli da sadrže nekoliko tipova ćelija koje su neophodne za razvoj embriona, kao što su one koje formiraju placentu i horionsku vreću. Pored toga, oni nisu imali strukturnu organizaciju karakterističnu za embrion i nisu otkrili nikakvu dinamičku sposobnost da napreduju u sledeću razvojnu fazu.
S obzirom na njihovu autentičnu složenost, modeli ljudskih embriona koje je dobila Hanina grupa mogu pružiti priliku bez presedana da se baci novo svetlo na misteriozne početke embriona. Malo se zna o ranom embrionu jer ga je tako teško proučavati, kako iz etičkih tako i iz tehničkih razloga, ali njegove početne faze su ključne za njegov budući razvoj.
Tokom ovih faza, grupa ćelija koja se usađuje u matericu sedmog dana svog postojanja postaje, u roku od tri do četiri nedelje, dobro strukturiran embrion koji već sadrži sve telesne organe.
„Drama je u prvom mesecu, preostalih osam meseci trudnoće su uglavnom dosta rasta“, kaže Hana. „Ali taj prvi mesec je još uvek u velikoj meri crna kutija. Naš model ljudskog embriona izveden iz matičnih ćelija nudi etički i pristupačan način zavirivanja u ovu kutiju. On blisko imitira razvoj pravog ljudskog embriona, posebno pojavu njegovog izuzetno finog arhitektura.“
Hannin tim je izgradio svoje prethodno iskustvo u kreiranju modela mišjih embriona zasnovanih na sintetičkim matičnim ćelijama. Kao iu tom istraživanju, naučnici nisu koristili oplođena jajašca ili matericu. Umesto toga, počeli su sa ljudskim ćelijama poznatim kao pluripotentne matične ćelije, koje imaju potencijal da se diferenciraju u mnoge, iako ne sve, tipove ćelija. Neki su izvedeni iz ćelija kože odraslih koje su vraćene u „malosti“. Drugi su bili potomci linija ljudskih matičnih ćelija koje su godinama uzgajane u laboratoriji.
Istraživači su zatim koristili Haninu nedavno razvijenu metodu za reprogramiranje pluripotentnih matičnih ćelija kako bi vratili sat unazad: vratili ove ćelije u još ranije stanje – poznato kao naivno stanje – u kojem su sposobne da postanu bilo šta, tj. specijalizovan za bilo koju vrstu ćelije.
Ova faza odgovara 7. danu prirodnog ljudskog embriona, otprilike u vreme kada se implantira u matericu. Hanin tim je zapravo bio prvi koji je počeo da opisuje metode za generisanje ljudskih naivnih matičnih ćelija još 2013. godine; nastavili su da unapređuju ove metode, koje su u srcu trenutnog projekta, tokom godina. Video snimak modela ljudskog embriona dobijenog od matičnih ćelija u fazi razvoja koja je ekvivalentna onom ljudskog embriona 14. dana. Prikazuje hormon koji se koristi u testovima na trudnoću (zeleno) i spoljašnji sloj koji će postati posteljica (ružičasta), uključujući karakteristične šupljine, nazvane lakune. Tokom normalne trudnoće, praznine omogućavaju razmenu hranljivih materija i otpadnih proizvoda između krvi majke i fetusa. Zasluge: Vajcmanov institut za nauku
Naučnici su podelili ćelije u tri grupe. Ćelije namenjene da se razviju u embrion ostavljene su kakve jesu. Ćelije u svakoj od ostalih grupa tretirane su samo hemikalijama, bez potrebe za genetskom modifikacijom, kako bi se uključili određeni geni, što je trebalo da izazove diferencijaciju ovih ćelija prema jednom od tri tipa tkiva potrebnih za održavanje embriona: placenta, žumančana kesa ili ekstraembrionalna mezodermna membrana koja na kraju stvara horionsku kesu.
Ubrzo nakon što su pomešane u optimizovanim, posebno razvijenim uslovima, ćelije su formirale grudve, od kojih se oko 1 procenat samoorganizovao u kompletne strukture slične embrionima. „Embrion se po definiciji pokreće sam; ne moramo da mu kažemo šta da radi – moramo samo da oslobodimo njegov interno kodirani potencijal“, kaže Hana. „Ključno je mešati prave vrste ćelija na početku, koje se mogu dobiti samo od naivnih matičnih ćelija koje nemaju ograničenja u razvoju. Jednom kada to uradite, sam model sličan embrionu kaže: ‘Kreni!’
Strukture nalik embrionima zasnovane na matičnim ćelijama (nazvane SEM) razvijale su se normalno van materice tokom 8 dana, dostižući razvojnu fazu koja je ekvivalentna 14. danu u ljudskom embrionalnom razvoju. To je tačka u kojoj prirodni embrioni stiču unutrašnje strukture koje im omogućavaju da pređu na sledeću fazu: razvoj progenitora telesnih organa.
Kada su istraživači uporedili unutrašnju organizaciju svojih modela embriona dobijenih iz matičnih ćelija sa ilustracijama i delovima mikroskopske anatomije u klasičnim embriološkim atlasima iz 1960-ih, otkrili su neverovatnu strukturnu sličnost između modela i prirodnih ljudskih embriona u odgovarajućoj fazi. Svaki odeljak i noseća konstrukcija nisu bili samo tu, već na pravom mestu, veličini i obliku. Čak su i ćelije koje prave hormon koji se koristi u testiranju trudnoće bile tamo i aktivne: kada su naučnici primenili izlučevine ovih ćelija na komercijalni test na trudnoću, pokazao je pozitivan rezultat.
To je podrazumevalo da su njihovi modeli verno oponašali proces kojim rani embrion dobija sve strukture koje su mu potrebne za početak transformacije u fetus. „Mnogi neuspesi u trudnoći se dešavaju u prvih nekoliko nedelja, često pre nego što žena i sazna da je trudna“, kaže Hana. „Tada nastaju mnogi urođeni defekti, iako imaju tendenciju da se otkriju mnogo kasnije. Naši modeli se mogu koristiti za otkrivanje biohemijskih i mehaničkih signala koji obezbeđuju pravilan razvoj u ovoj ranoj fazi, kao i načine na koje taj razvoj može poći po zlu. .“ Video koji predstavlja karakterističnu strukturu žumančane kese (žute) u modelu ljudskog embriona izvedenom iz matičnih ćelija u fazi razvoja koja je ekvivalentna onoj ljudskog embriona 12. dana. Prikazuje gornji i donji deo vrećice, koji imaju različite oblike i funkcije, i šupljina između njih. Zasluge: Vajcmanov institut za nauku
U stvari, studija je već proizvela nalaz koji bi mogao otvoriti novi pravac istraživanja neuspeha rane trudnoće. Istraživači su otkrili da ako embrion nije obavijen ćelijama koje formiraju placentu na pravi način trećeg dana protokola (što odgovara 10. danu prirodnog embrionalnog razvoja), njegove unutrašnje strukture, kao što je žumančana kesa, ne uspevaju da se pravilno razviju. .
„Embrion nije statičan. Mora da ima prave ćelije u pravoj organizaciji i mora biti u stanju da napreduje – radi se o postojanju i postajanju“, kaže Hana. „Naši kompletni modeli embriona pomoći će istraživačima da odgovore na najosnovnija pitanja o tome šta određuje njegov pravilan rast.“
Ovaj etički pristup otkrivanju misterija prvih faza embrionalnog razvoja mogao bi otvoriti brojne istraživačke puteve. To bi moglo pomoći da se otkriju uzroci mnogih urođenih mana i vrsta neplodnosti. To bi takođe moglo dovesti do novih tehnologija za uzgoj transplantiranih tkiva i organa. I mogao bi da ponudi način da se zaobiđu eksperimenti koji se ne mogu izvesti na živim embrionima – na primer, određivanje efekata izlaganja lekovima ili drugim supstancama na razvoj fetusa.
