Ottaisivatko synteettiset alkiot keinotekoisten elinten aikakaudella?   

Tiedemiehet ovat toistaneet nisäkkäiden alkionkehityksen luonnollisen prosessin laboratoriossa aivojen ja sydämen kehityskohtaan asti. Kantasolujen avulla tutkijat loivat kohdun ulkopuolelle synteettisiä hiiren alkioita, jotka toivat yhteen luonnollisen kehitysprosessin kohdussa päivään 8.5. Tämä on virstanpylväs synteettisessä biologiassa. Tulevaisuudessa tämä ohjaa ihmisen synteettisten alkioiden tutkimuksia, jotka vuorostaan voisi ennakoi synteettisten tuotteiden kehittämistä ja tuotantoa elimet siirtoa odottaville potilaille. 

Alkiolla tarkoitetaan tavallisesti peräkkäisen luonnollisen lisääntymisilmiön kehitysvaihetta, jonka siittiö kohtaa munasolun muodostaen tsygootin, joka jakautuu tsygootiksi. alkiosikiöksi ja vastasyntyneeksi tiineyden päätyttyä.  

Edistys alkiosoluissa ydinvoiman siirto näki tapauksen ohittaa munasolun hedelmöittäminen siittiöstä. Vuonna 1984 munasta luotiin alkio, josta sen alkuperäinen haploidinen ydin poistettiin ja korvattiin luovuttajan alkiosolun ytimellä, joka kehittyi menestyksekkäästi korvikesolussa ensimmäisen kloonatun lampaanvauvan synnyttämiseksi. Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT) -teknologian täydellisyydellä Dolly-lammas luotiin vuonna 1996 kypsästä aikuisesta solusta. Tämä oli ensimmäinen tapaus, jossa nisäkäs kloonattiin aikuisesta solusta. Dollyn tapaus avasi myös mahdollisuuden yksilöllisten kantasolujen kehittämiseen. Kummassakaan tapauksessa siittiöitä ei käytetty, mutta munasolusta (jossa oli korvattu tuma) kasvoi alkio. Joten sellaisenaan nämä alkiot olivat edelleen luonnollisia.  

Voidaanko alkioita luoda ilman edes munaa? Jos näin on, tällaiset alkiot olisivat synteettisiä siinä määrin, että sukusoluja (sukupuolisoluja) ei käytetä. Nykyään tällaisia ​​alkioita (tai "alkion kaltaisia" tai alkioita) luodaan rutiininomaisesti käyttämällä alkion kantasoluja (ESC) ja viljellään vitro laboratoriossa.  

Nisäkkäistä hiirillä kestää suhteellisen lyhyt aika (19-21 päivää) lisääntyä, mikä tekee hiiren alkiosta kätevän tutkimusmallin. Kokonaismäärästä pre-implantaatiojakso on noin 4-5 päivää, kun taas loput 15 päivää (noin 75 % kokonaismäärästä) on implantaation jälkeen. Implantaation jälkeistä kehitystä varten alkio on istutettava kohtuun, mikä tekee siitä mahdoton ulkopuoliselle havainnolle. Tämä riippuvuus äidin kohdusta asettaa esteen tutkimukselle.    

Vuosi 2017 oli merkittävä nisäkäsalkioviljelyn historiassa. Pyrkimykset luoda synteettisiä hiiren alkioita saivat pisteen, kun tutkijat osoittivat selvästi, että alkion kantasoluilla on kyky koota itseään ja organisoitua vitro synnyttää alkion kaltaisia ​​rakenteita, jotka muistuttivat luonnollisia alkioita tärkeällä tavalla^1,2. Siitä johtui kuitenkin rajoituksia kohdun rajat. On rutiinia viljellä alkiota ennen istutusta vitro mutta mitään vankkaa alustaa istutuksen jälkeisen hiiren alkion ex-utero-viljelylle (munasylinterivaiheista pitkälle edenneeseen organogeneesiin) ei ollut saatavilla. Läpimurto tämän ratkaisemiseksi tapahtui viime vuonna vuonna 2021, kun tutkimusryhmä esitteli viljelyalustan, joka oli tehokas hiiren alkion implantaation jälkeiseen kehittämiseen äidin kohdun ulkopuolella. Tällä alustalla ex utero kasvatetun alkion havaittiin tiivistävän tarkasti in kohdussa kehitys³. Tämä kehitys ylitti kohdun esteet ja auttoi tutkijoita ymmärtämään paremmin implantaation jälkeistä morfogeneesiä ja on siten auttanut synteettistä alkioprojektia pääsemään pitkälle. 

Nyt kaksi tutkimusryhmää ovat raportoineet synteettisen hiiren alkion kasvattamisen 8.5 päivän ajan, mikä on tähän mennessä pisin. Tämä oli tarpeeksi pitkä erotteluun elimet (kuten sykkivä sydän, suolistoputki, hermopoimu jne.) ovat kehittyneet. Tämä viimeisin kehitys on todella merkittävää.  

Kuten Cell raportoi 1. elokuuta 2022, tutkimusryhmä loi synteettisiä hiiren alkioita käyttämällä vain naiiveja embryonic Stem Cells (ESC) -soluja äidin kohdun ulkopuolella. He aggregoivat kantasolut ja prosessoivat niitä äskettäin kehitetyn viljelyalustan avulla pitkään ex- kohdun kasvu, jotta saadaan gastrulaation jälkeinen synteettinen koko alkio, jossa on sekä alkion että alkion ulkopuolinen osasto. Synteettinen alkio saavutti tyydyttävästi virstanpylväät hiiren alkioiden 8.5 päivän vaiheessa. Tämä tutkimus korostaa naiivien pluripotenttien solujen kykyä koota itsekseen ja organisoida itse ja mallintaa koko nisäkkään alkio gastrulaation ulkopuolella⁴. 

Viimeisimmässä Nature-lehdessä 25. elokuuta 2022 julkaistussa tutkimuksessa tutkijat käyttivät myös alkion ulkopuolisia kantasoluja laajentaakseen alkion kantasolujen (ESC) kehityspotentiaalia. He kokosivat synteettisiä alkioita in vitro käyttämällä hiiren ESC-, TSC- ja iXEN-soluja, jotka toivat yhteen hiiren luonnollisen koko alkionkehityksen kohdussa päivään 8.5. Tällä synteettisellä alkiolla oli määritellyt etu- ja keskiaivoalueet, sykkivä sydäntä muistuttava rakenne, hermoputken käsittävä runko, neuromesodermaalisia esisoluja sisältävä hännänsilmu, suolistoputki ja alkuperäisiä sukusoluja. Koko asia oli alkion ulkopuolisessa pussissa⁵. Siten tässä tutkimuksessa organogeneesi oli edistyneempi ja merkittävämpi verrattuna tutkimukseen, joka raportoi Cellissä 1. elokuuta 2022. Ehkä kahden tyyppisten alkion ulkopuolisten kantasolujen käyttö paransi alkion kantasolujen kehityspotentiaalia tässä tutkimuksessa. Mielenkiintoista on, että aikaisemmassa tutkimuksessa käytettiin vain naiiveja alkion kantasoluja (ESC).  

Nämä saavutukset ovat todella merkittäviä, koska tämä on toistaiseksi kaukaisin piste synteettisten nisäkäsalkioiden tutkimuksissa. Kyky luoda nisäkkään aivot on ollut synteettisen biologian päätavoite. Implantaation jälkeisen alkionkehityksen luonnollisen prosessin uudelleen luominen laboratoriossa ylittää kohdun esteen ja mahdollistaa tutkijoille mahdollisuuden tutkia varhaisimpia elämänvaiheita, jotka normaalisti ovat kohdussa piilossa.  

Eettisistä kysymyksistä huolimatta saavutukset hiiren synteettisten alkioiden tutkimuksissa ohjaavat lähitulevaisuudessa ihmisen synteettisten alkioiden tutkimuksia, jotka voivat käynnistää synteettisten elinten kehittämisen ja tuotannon siirtoa odottaville potilaille.  

*** 

Viitteet:  

1. Harrison SE et ai 2017. Alkion ja alkion ulkopuolisten kantasolujen kokoonpano alkion synnyn jäljittelemiseksi in vitro. TIEDE. 2. maaliskuuta 2017. Osa 356, numero 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Synteettiset alkiot: Ikkunat nisäkkäiden kehitykseen. Solu Kantasolu. Osa 20, numero 5, 4. toukokuuta 2017, sivut 581–582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Aguilera-Castrejon, A., et ai. 2021. Ex utero hiiren alkion synty esigastrulaatiosta myöhäiseen organogeneesiin. Nature 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Tarazi S., et el 2022. Gastrulaation jälkeiset synteettiset alkiot, jotka on tuotettu ulospäin hiiren naiiveista ESC:istä. Cell. Julkaistu: 01. elokuuta 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Amadei, G., et ai 2022. Synteettiset alkiot täydentävät gastrulaation hermoiluun ja organogeneesiin. Julkaistu: 25. elokuuta 2022. Luonto. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

***