Skulle syntetiska embryon inleda de konstgjorda organens tidevarv?   

Forskare har replikerat den naturliga processen för embryonal utveckling av däggdjur i laboratoriet fram till utvecklingen av hjärna och hjärta. Med hjälp av stamceller skapade forskare syntetiska musembryon utanför livmodern som recapitulerade den naturliga utvecklingsprocessen i livmodern fram till dag 8.5. Detta är en milstolpe inom syntetisk biologi. I framtiden kommer detta att vägleda studier av mänskliga syntetiska embryon, som i sin tur kunde inleda utveckling och produktion av syntet organ för patienter som väntar på transplantation. 

Ett embryo förstås vanligtvis som ett mellanliggande utvecklingsstadium i ett sekventiellt naturligt reproduktionsfenomen som initieras av spermier som möter ett ägg och bildar en zygot, som delar sig för att bli en embryoföljt av utveckling till ett foster och en nyfödd efter avslutad graviditet.  

Framsteg i embryonala celler kärnkraftsöverföring såg fallet att hoppa över steget att befrukta ett ägg av spermierna. 1984 skapades ett embryo från ett ägg där dess ursprungliga haploida kärna avlägsnades och ersattes av kärnan från en donator embryonal cell som framgångsrikt genomgick utveckling i ett surrogat för att föda det första klonade fåret. Med perfektionen av Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT) skapades fåret Dolly 1996 från en mogen vuxen cell. Detta var det första fallet av kloning av ett däggdjur från en vuxen cell. Dollys fall öppnade också för möjligheten till utveckling av personliga stamceller. I båda fallen användes inte spermier, men det var ägget (med den ersatta kärnan) som växte till att bli embryo. Så som sådana var dessa embryon fortfarande naturliga.  

Kan embryon skapas utan inblandning av ens ett ägg? Om så är fallet skulle sådana embryon vara syntetiska i den utsträckningen att inga könsceller (könsceller) skulle användas. Nuförtiden skapas sådana embryon (eller "embryoliknande" eller embryoider) rutinmässigt med användning av embryonala stamceller (ESC) och odlas vitro i labbet.  

Bland däggdjur tar möss en relativt kort period (19-21 dagar) för att fortplanta sig, vilket gör musembryon till en bekväm studiemodell. Av totalen är pre-implantationsperioden cirka 4-5 dagar medan resten 15 dagar (cirka 75% av totalen) är efter implantation. För utveckling efter implantation måste embryot implanteras i livmodern, vilket gör det otillgängligt för observation utifrån. Detta beroende av moderns livmoder utgör en barriär vid utredning.    

Året 2017 var betydelsefullt i däggdjurs embryokulturs historia. Ansträngningar för att skapa syntetiska musembryon fick ett resultat när forskare tydligt visade att embryonala stamceller har förmågan att självmontera och självorganisera vitro att ge upphov till embryoliknande strukturer som liknade naturliga embryon på viktiga sätt^1,2. Det fanns dock begränsningar till följd av uterin barriärer. Det är rutin att odla pre-implantationsembryo vitro men någon robust plattform för ex-utero-odling av musembryo efter implantation (från äggcylinderstadier till avancerad organogenes) var inte tillgänglig. Ett genombrott för att ta itu med detta kom förra året 2021 när ett forskarlag presenterade en odlingsplattform som var effektiv för post-implantationsutveckling av musembryon utanför moderns livmoder. Ett embryo som odlats på denna plattform ex utero visade sig exakt rekapitulera in utero utveckling³. Denna utveckling övervann livmoderbarriärer och gjorde det möjligt för forskare att bättre förstå morfogenes efter implantation och har därmed hjälpt syntetiska embryoprojekt att komma till ett framskridet stadium. 

Nu har två forskargrupper rapporterat att syntetiskt mössembryo odlats i 8.5 dagar, vilket är det längsta hittills. Detta var tillräckligt länge för distinkt organ (såsom hjärtslag, tarmrör, nervveck etc) att ha utvecklats. Detta senaste framsteg är verkligen anmärkningsvärt.  

Som rapporterades i Cell den 1 augusti 2022 genererade forskargruppen syntetiska musembryon med endast naiva embryonala stamceller (ESC) utanför moderns livmoder. De samlade stamcellerna tillsammans och bearbetade dem med den nyligen utvecklade odlingsplattformen under lång tid ex-utero tillväxt för att efter gastrulation få syntetiskt helt embryo med både embryonala och extraembryonala fack. Det syntetiska embryot uppnådde på ett tillfredsställande sätt milstolpar för 8.5 dagars stadium av musembryon. Denna studie belyser förmågan hos naiva pluripotenta celler att självmontera och självorganisera och modellera hela däggdjursembryot bortom gastrulation⁴. 

I den senaste studien som publicerades i Nature den 25 augusti 2022 använde forskarna även extraembryonala stamceller för att utöka utvecklingspotentialen för embryonala stamceller (ESC). De satte ihop syntetiska embryon in vitro med hjälp av mus-ESC, TSC och iXEN-celler som rekapitulerade naturliga hela embryonala utvecklingen av mus i livmodern till dagen 8.5. Detta syntetiska embryo hade definierat framhjärna- och mellanhjärnaregioner, en hjärtliknande struktur, en stam bestående av ett neuralrör, en svansknopp innehållande neuromesodermala progenitorer, ett tarmrör och primordiala könsceller. Det hela var i en extra embryonal säck⁵. I denna studie var således organogenesen mer avancerad och anmärkningsvärd jämfört med studien som rapporterades i Cell den 1 augusti 2022. Kanske förbättrade användningen av två typer av extraembryonala stamceller utvecklingspotentialen för embryonala stamceller i denna studie. Intressant nog användes endast naiva embryonala stamceller (ESC) i den tidigare studien.  

Dessa prestationer är verkligen anmärkningsvärda eftersom detta är den längsta punkten hittills i studier på syntetiska däggdjursembryon. Förmågan att skapa en däggdjurshjärna har varit ett viktigt mål för syntetisk biologi. Att återskapa den naturliga processen för embryonal utveckling efter implantation i laboratoriet övervinner livmoderbarriären och gör det möjligt för forskarna att studera de tidigaste skeden av livet som normalt är gömda i livmodern.  

Trots etiska frågor kommer framgångar i studier på syntetiska musembryon att styra studier på syntetiska mänskliga embryon inom en snar framtid, vilket kan inleda utveckling och produktion av syntetiska organ för patienter som väntar på transplantation.  

*** 

Referenser:  

1. Harrison SE et al, 2017. Montering av embryonala och extraembryonala stamceller för att efterlikna embryogenes in vitro. VETENSKAP. 2 mars 2017. Vol 356, nummer 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Synthetic Embryon: Windows into Mammalian Development. Cell Stamcell. Volym 20, nummer 5, 4 maj 2017, sid 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Ex utero musembryogenes från pre-gastrulering till sen organogenes. Naturen 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Tarazi S., et el 2022. Syntetiska embryon efter gastrulation genererade ex utero från musnaiva ESC:er. Cell. Publicerad: 01 augusti 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Amadei, G., et al, 2022. Syntetiska embryon fullbordar gastrulation till neurulation och organogenes. Publicerad: 25 augusti 2022. Nature. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

***