Laut der Zeitschrift Nature haben Forscher der Cambridge University im Vereinigten Königreich Modellembryonen aus Mausstammzellen geschaffen, die ein Gehirn, ein schlagendes Herz und die Grundlagen aller anderen Organe im Körper bilden, was eine neue Art der Nachbildung des ersten darstellt Lebensabschnitte.

Das Team um Professorin Magdalena Zernicka-Goetz hat ein Modell eines Embryos ohne Eizellen und Spermien aus Stammzellen entwickelt, also Stammzellen des Körpers, die sich zu nahezu jedem Zelltyp des Körpers entwickeln können. Sie ahmten natürliche Prozesse im Labor nach, indem sie die drei Arten von Stammzellen, die früh in der Säugetierentwicklung vorhanden sind, bis zu dem Punkt leiteten, an dem sie zu interagieren beginnen. Indem sie die Expression einer bestimmten Gruppe von Genen induziert und eine einzigartige Umgebung für ihre Interaktionen geschaffen haben, gelang es den Forschern, die Stammzellen dazu zu bringen, miteinander zu „sprechen“.

Die Stammzellen organisierten sich selbst zu Strukturen, die aufeinanderfolgende Entwicklungsstadien durchliefen, bis sie ein schlagendes Herz und die Grundlagen des Gehirns sowie den Dottersack hatten, in dem sich der Embryo entwickelt und in seinen ersten Wochen Nährstoffe erhält. Im Gegensatz zu anderen synthetischen Embryonen haben die in Cambridge entwickelten Modelle den Punkt erreicht, an dem die Entwicklung des gesamten Gehirns einschließlich des Vorderhirns begonnen hat. Dies ist ein fortgeschritteneres Entwicklungsstadium als jedes andere von Stammzellen abgeleitete Modell.

Laut dem Team könnten ihre Ergebnisse, die das Ergebnis von mehr als einem Jahrzehnt Forschung sind, die nach und nach zu immer komplexeren embryonalen Strukturen geführt haben, den Forschern helfen zu verstehen, warum einige Embryonen versagen, während sich andere in einer gesunden Schwangerschaft entwickeln. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse verwendet werden, um die Reparatur und Entwicklung synthetischer menschlicher Organe für die Transplantation zu steuern.

„Unser Mausembryomodell entwickelt nicht nur ein Gehirn, sondern auch ein schlagendes Herz und alle Komponenten, aus denen der Körper besteht“, sagt Zernicka-Goetz, Professorin für Säugetierentwicklung und Stammzellbiologie am Department of Cambridge Physiology, Development and Neurowissenschaft. Es ist erstaunlich, dass wir so weit gekommen sind.

Damit sich ein menschlicher Embryo erfolgreich entwickeln kann, muss es einen „Dialog“ zwischen den Geweben geben, die zum Embryo werden, und denen, die ihn mit der Mutter verbinden. In der ersten Woche nach der Befruchtung entwickeln sich drei Arten von Stammzellen: Eine von ihnen wird später zu Gewebe des Körpers, und die anderen beiden unterstützen die Entwicklung des Embryos. Eine dieser extraembryonalen Stammzellen wird zur Plazenta, die den Fötus mit der Mutter verbindet und ihn mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt; der zweite ist der Dottersack, in dem sich der Embryo entwickelt und aus dem er in den frühen Stadien seiner Entwicklung seine Nährstoffe bezieht.

Viele Schwangerschaften scheitern, wenn die drei Arten von Stammzellen beginnen, sich gegenseitig mechanische und chemische Signale zu senden, die dem Embryo mitteilen, wie er sich richtig entwickeln soll. Viele Schwangerschaften scheitern dann, bevor die meisten Frauen merken, dass sie schwanger sind“, sagt Zernicka-Goetz, die auch Professorin für Biologie und Bioingenieurwesen am Caltech ist. Diese Zeit ist die Grundlage für alles, was in der Schwangerschaft folgt. Wenn es schief geht, scheitert die Schwangerschaft.

In den letzten zehn Jahren hat die Gruppe von Professor Zernicka-Goetz in Cambridge diese frühen Stadien der Schwangerschaft untersucht, um zu verstehen, warum manche Schwangerschaften scheitern und andere gelingen. Das Stammzell-Embryonenmodell ist wichtig, weil es uns Zugang zu der sich entwickelnden Struktur in einem Stadium verschafft, das uns normalerweise aufgrund der Einnistung des winzigen Embryos in die Gebärmutter der Mutter verborgen bleibt“, fügt Frau Zernicka-Goetz hinzu. Diese Zugänglichkeit ermöglicht es uns, Gene zu manipulieren, um ihre Entwicklungsfunktionen in einem experimentellen Modellsystem zu verstehen.

Um die Entwicklung ihres synthetischen Embryos zu steuern, stellten die Forscher kultivierte Stammzellen zusammen, die jeden der drei Gewebetypen in den richtigen Proportionen und in der richtigen Umgebung repräsentierten, um ihr Wachstum und ihre Kommunikation untereinander zu fördern und sich schließlich selbst zu einem Embryo zusammenzusetzen.

Forscher haben entdeckt, dass extraembryonale Zellen chemische Signale an embryonale Zellen senden, aber auch mechanische Signale oder durch Berührung die Entwicklung des Embryos steuern. Diese Periode des menschlichen Lebens ist sehr mysteriös, daher ist es etwas ganz Besonderes, auf einem Teller sehen zu können, wie es passiert – Zugang zu diesen einzelnen Stammzellen zu haben, zu verstehen, warum so viele Schwangerschaften scheitern und wie wir sie verhindern könnten. fährt Frau Zernicka-Goetz fort. Wir haben den Dialog untersucht, der zu diesem Zeitpunkt zwischen den verschiedenen Arten von Stammzellen stattfinden muss; Wir haben gezeigt, wie es passiert und wie es schief gehen kann.

Einer der größten Fortschritte der Studie ist die Fähigkeit, das gesamte Gehirn zu erzeugen, insbesondere das Vorderhirn, das ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung synthetischer Embryonen war. Es funktioniert im Zernicka-Goetz-System, weil dieser Teil des Gehirns Signale von einem der extraembryonalen Gewebe benötigt, um sich zu entwickeln. Das Team vermutete, dass dies aus ihren Studien von 2018 und 2021 stammen könnte, in denen dieselben Zellbestandteile verwendet wurden, um sich in einem etwas früheren Stadium zu Embryonen zu entwickeln. Jetzt, wenn man die Entwicklung einen Tag weiterführt, können sie definitiv sagen, dass ihr Modell das erste ist, das die Entwicklung des Vorderhirns, wenn nicht des ganzen Gehirns, demonstriert.

„Das eröffnet neue Möglichkeiten, die Mechanismen der neurologischen Entwicklung in einem experimentellen Modell zu untersuchen“, sagt Zernicka-Goetz. Tatsächlich demonstrieren wir in diesem Artikel den Beweis dieses Prinzips, indem wir ein Gen löschen, von dem bereits bekannt ist, dass es für die Bildung des Neuralrohrs, dem Vorläufer des Nervensystems, und für die Entwicklung des Gehirns und der Augen wesentlich ist. In Abwesenheit dieses Gens weisen synthetische Embryonen genau die gleichen bekannten Defekte in der Gehirnentwicklung auf wie bei einem Tier, das diese Mutation trägt. Das bedeutet, dass wir beginnen können, diese Art von Ansatz auf viele Gene anzuwenden, deren Funktion in der Gehirnentwicklung unbekannt ist.

Obwohl die aktuelle Forschung an Mausmodellen durchgeführt wurde, entwickeln Forscher derzeit ähnliche menschliche Modelle, die auf die Erzeugung bestimmter Organtypen abzielen können, um die Mechanismen zu verstehen, die entscheidenden Prozessen zugrunde liegen, die an echten Embryonen möglicherweise nicht untersucht werden können. Derzeit erlaubt das britische Recht die Untersuchung menschlicher Embryonen im Labor nur bis zum 14. Tag der Entwicklung.

Sollten sich die Methoden des Zernicka-Goetz-Teams in Zukunft mit menschlichen Stammzellen bewähren, könnten sie auch bei der Entwicklung synthetischer Organe für Transplantationspatienten eingesetzt werden. Es gibt viele Menschen auf der Welt, die seit Jahren auf eine Organtransplantation warten“, erinnert sie sich. Was unsere Arbeit so spannend macht, ist, dass das daraus gewonnene Wissen genutzt werden könnte, um die richtigen synthetischen menschlichen Organe zu züchten, um Leben zu retten, die derzeit verloren gehen. Es sollte auch möglich sein, die Organe von Erwachsenen mit dem Wissen, das wir über ihre Herstellung haben, zu beeinflussen und zu heilen.

„Dies ist ein unglaublicher Durchbruch, der zehn Jahre harter Arbeit vieler Mitglieder meines Teams gekostet hat; Ich hätte nie gedacht, dass wir dazu kommen würden. Du denkst nie, dass deine Träume wahr werden, aber sie tun es.

Wissenschaftler erzeugen einen Mausembryo aus Stammzellen, ohne dass Spermien oder Eizellen benötigt werden

Wissenschaftler im Vereinigten Königreich behaupten, einen Durchbruch in der Gentechnik erzielt zu haben: die Schaffung eines „künstlichen“ Mausembryos ohne die Notwendigkeit von Eiern oder Spermien. Die Embryonen wurden stattdessen mit Stammzellen erzeugt und konnten innerhalb einer Woche mit der Entwicklung von Gehirnen, Herzen und anderen Organen beginnen. Die Forscher glauben, dass ihre Arbeit eines Tages dazu beitragen könnte, zu verstehen, warum so viele Schwangerschaften beim Menschen in der frühen Entwicklung scheitern, und möglicherweise sogar zukünftige Bemühungen zur Herstellung von Labororganen für die Transplantation leiten könnte.

Das Studium natürlich entwickelter Embryonen hat Wissenschaftlern unzählige Einblicke in die Biologie verschafft. Aber viele Aspekte der frühen Entwicklung sind in lebenden Organismen schwer zu beobachten. Forscher haben gelernt, Embryonen, die bereits im Labor hergestellt wurden, bis zu einem gewissen Grad zu züchten, sowie künstliche, aber vereinfachte Modelle einzelner Embryonen oder Organe herzustellen – Entwicklungen, die dazu beigetragen haben, einige dieser Hindernisse zu überwinden. Diese neue Forschung scheint jedoch einer der ersten erfolgreichen Versuche zu sein, einen funktionierenden Mausembryo von Grund auf neu zu erschaffen.

Die Arbeit, die am Donnerstag in Nature veröffentlicht wurde, ist der Höhepunkt jahrelanger Forschung von Wissenschaftlern der University of Cambridge. Um ihren Embryo zu erschaffen, kombinierten sie die drei Haupttypen embryonaler Stammzellen in der richtigen Mischung und Umgebung, sodass sie miteinander kommunizieren und das nachahmen können, was natürlich während der Embryonalentwicklung passiert. Von da an begannen sich die Zellen in die Grundstrukturen des Fötus zu organisieren und begannen, die frühen Entwicklungsstadien zu durchlaufen, einschließlich der Bildung des Dottersacks, des Gehirns und des schlagenden Herzens. Die Embryonen überlebten bis zu achteinhalb Tage.