Wetenschappers hebben het natuurlijke proces van de embryonale ontwikkeling van zoogdieren in het laboratorium nagebootst tot aan de ontwikkeling van de hersenen en het hart. Met behulp van stamcellen creëerden onderzoekers synthetische muizenembryo's buiten de baarmoeder die het natuurlijke ontwikkelingsproces in de baarmoeder tot dag 8.5 nabootsten. Dit is een mijlpaal in de synthetische biologie. In de toekomst zal dit richtinggevend zijn voor onderzoek naar synthetische menselijke embryo's, wat op zijn beurt de ontwikkeling en productie van synthetische organen voor patiënten die op een transplantatie wachten, mogelijk zou kunnen maken.
Een embryo wordt doorgaans beschouwd als een tussenliggend ontwikkelingsstadium in het opeenvolgende natuurlijke voortplantingsproces, dat begint met de bevruchting van een eicel door een zaadcel, waaruit een zygote ontstaat. Deze deelt zich vervolgens tot een embryo , waarna de embryonale ontwikkeling zich voortzet tot een foetus en uiteindelijk, na voltooiing van de zwangerschap, tot een pasgeborene.
Dankzij de vooruitgang in embryonale celkernoverdracht kon de bevruchting van een eicel door een zaadcel worden overgeslagen. In 1984 werd een embryo gecreëerd uit een eicel waarvan de oorspronkelijke haploïde celkern was verwijderd en vervangen door de celkern van een donorembryocel. Dit embryo ontwikkelde zich succesvol in een draagmoeder en bracht het eerste gekloonde schaapje ter wereld. Met de perfectionering van somatische celkernoverdracht (SCNT) werd in 1996 schaap Dolly gecreëerd uit een volwassen cel. Dit was het eerste geval van het klonen van een zoogdier uit een volwassen cel. Dolly's geval opende ook de mogelijkheid voor de ontwikkeling van gepersonaliseerde stamcellen. In beide gevallen werd geen sperma gebruikt, maar groeide de eicel (met de vervangen celkern) uit tot een embryo. Deze embryo's waren dus nog steeds natuurlijk.
Zou het mogelijk zijn om embryo's te creëren zonder dat er zelfs maar een eicel aan te pas komt? Zo ja, dan zouden dergelijke embryo's synthetisch zijn in die zin dat er geen gameten (geslachtscellen) aan te pas zouden komen. Tegenwoordig worden dergelijke embryo's (of 'embryo-achtige' embryo's of embryoïden) routinematig gecreëerd met behulp van embryonale stamcellen (ESC) en in vitro in het laboratorium gekweekt.
Bij zoogdieren hebben muizen een relatief korte periode (19-21 dagen) nodig om zich voort te planten, wat muizenembryo's een handig studiemodel maakt. Van de totale periode vóór implantatie is ongeveer 4-5 dagen, terwijl de overige 15 dagen (ongeveer 75% van het totaal) na implantatie zijn. Voor de ontwikkeling na implantatie moet het embryo in de baarmoeder worden geïmplanteerd, waardoor het ontoegankelijk is voor observatie van buitenaf. Deze afhankelijkheid van de baarmoeder van de moeder vormt een barrière bij het onderzoek.
Het jaar 2017 was een belangrijk jaar in de geschiedenis van de kweek van zoogdierembryo's. De pogingen om synthetische muizenembryo's te creëren kregen een impuls toen onderzoekers duidelijk aantoonden dat embryonale stamcellen het vermogen hebben om in vitro zelf te assembleren en te organiseren , waardoor embryo-achtige structuren ontstaan die in belangrijke opzichten op natuurlijke embryo's lijken 1,2 . Er waren echter beperkingen als gevolg van de baarmoederbarrière . Het is gebruikelijk om pre-implantatie-embryo's in vitro te kweken , maar een robuust platform voor de ex-utero kweek van post-implantatie-muizenembryo's (van het eicelstadium tot de gevorderde organogenese) was niet beschikbaar. Een doorbraak hierin kwam vorig jaar, in 2021, toen een onderzoeksteam een kweekplatform presenteerde dat effectief was voor de post-implantatie-ontwikkeling van muizenembryo's buiten de baarmoeder. Een embryo dat op dit platform ex utero werd gekweekt, bleek de intra -uteriene ontwikkeling nauwkeurig na te bootsen 3 . Deze ontwikkeling heeft de barrières van de baarmoeder overwonnen en onderzoekers in staat gesteld de morfogenese na de implantatie beter te begrijpen, waardoor het synthetische embryo-project een gevorderd stadium heeft bereikt.
Twee onderzoeksgroepen hebben nu gemeld dat ze een synthetisch muizenembryo 8.5 dagen lang hebben kunnen kweken, de langste periode tot nu toe. Dit was voldoende voor de ontwikkeling van verschillende organen (zoals een kloppend hart, darmkanaal, neurale plooi, enz.). Deze nieuwste doorbraak is werkelijk opmerkelijk.
Zoals gerapporteerd in Cell op 1 augustus 2022, genereerde het onderzoeksteam synthetische muizenembryo's met uitsluitend naïeve embryonale stamcellen (ESC's) buiten de baarmoeder van de moeder. Ze brachten de stamcellen samen en verwerkten ze met behulp van het recent ontwikkelde kweekplatform voor langdurige groei buiten de baarmoeder om een synthetisch embryo te verkrijgen dat zich na de gastrulatie bevindt en zowel embryonale als extra-embryonale compartimenten bevat. Het synthetische embryo bereikte naar behoren de mijlpalen van het 8.5-dagenstadium van muizenembryo's. Deze studie benadrukt het vermogen van naïeve pluripotente cellen om zichzelf te assembleren en te organiseren en het gehele zoogdierembryo na de gastrulatie te modelleren⁴.
In de meest recente studie, gepubliceerd in Nature op 25 augustus 2022, gebruikten de onderzoekers ook extra-embryonale stamcellen om het ontwikkelingspotentieel van embryonale stamcellen (ESC's) te vergroten. Ze stelden in vitro synthetische embryo's samen met behulp van muizen-ESC's, TSC's en iXEN-cellen, die de natuurlijke embryonale ontwikkeling van een muis in de baarmoeder tot dag 8.5 nabootsten. Dit synthetische embryo had gedefinieerde voorhersenen en middenhersenen, een kloppende hartachtige structuur, een romp met een neurale buis, een staartknop met neuromesodermale voorlopercellen, een darmbuis en primordiale kiemcellen. Het geheel bevond zich in een extra-embryonaal zakje⁵ . De organogenese in deze studie was dus verder gevorderd en opmerkelijker dan in de studie die op 1 augustus 2022 in Cell werd gepubliceerd. Mogelijk heeft het gebruik van twee typen extra-embryonale stamcellen het ontwikkelingspotentieel van embryonale stamcellen in deze studie vergroot. Opvallend is dat in het eerdere onderzoek alleen naïeve embryonale stamcellen (ESC's) werden gebruikt.
Deze prestaties zijn werkelijk opmerkelijk, aangezien dit tot nu toe het verste punt is in studies met synthetische zoogdierembryo's. Het vermogen om een zoogdierbrein te creëren is een belangrijk doel van de synthetische biologie geweest. Door het natuurlijke proces van embryonale ontwikkeling na implantatie in het laboratorium na te bootsen, wordt de baarmoederbarrière overwonnen en kunnen de onderzoekers de vroegste levensfasen bestuderen die normaal in de baarmoeder verborgen zijn.
Ondanks ethische kwesties, zullen de resultaten in studies met synthetische muizenembryo's in de nabije toekomst als leidraad dienen voor studies op menselijke synthetische embryo's, wat zou kunnen leiden tot de ontwikkeling en productie van synthetische organen voor patiënten die wachten op transplantatie.
***
Referenties:
- Harrison SE c.s. 2017. Assemblage van embryonale en extra-embryonale stamcellen om embryogenese in vitro na te bootsen. WETENSCHAP. 2 maart 2017. Vol 356, uitgave 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810
- Warmflash A. 2017. Synthetische embryo's: vensters in de ontwikkeling van zoogdieren. Cel Stamcel. Deel 20, uitgave 5, 4 mei 2017, pagina's 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001
- Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Ex utero muizenembryogenese van pre-gastrulatie tot late organogenese. Natuur 593, 119-124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
- Tarazi S., en el 2022. Synthetische embryo's na gastrulatie gegenereerd ex utero uit muis-naïeve ESC's. Cel. Gepubliceerd: 01 augustus 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
- Amadei, G., c.s. 2022. Synthetische embryo's voltooien gastrulatie tot neurulatie en organogenese. Gepubliceerd: 25 augustus 2022. Natuur. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
***
