Onderzoekers van Medicine By Design van de Universiteit van Toronto hebben een nieuw platform ontwikkeld om de vroegste stadia van menselijke ontwikkeling in het laboratorium te bestuderen. het gordijn opentrekken voor belangrijke biologische processen die tot nu toe in de baarmoeder hebben plaatsgevonden, buiten de blik van wetenschappers.

Vermoedelijk de eerste in zijn soort in Canada, de technologie stelt menselijke embryonale stamcellen in staat om zichzelf te organiseren in een structuur met embryo-achtige kenmerken, inclusief de vroege voorlopers van organen zoals de hersenen, het hart en de lever.

Onderzoekers die ziekten willen behandelen door gebruik te maken van het vermogen van het menselijk lichaam tot zelfvernieuwing, hebben lang geprobeerd deze processen te begrijpen, omdat ze geloven dat ze inzichten hebben die van cruciaal belang kunnen zijn voor het bevorderen van nieuwe regeneratieve geneeswijzen. Maar technische hindernissen ethische bezwaren en wettelijke beperkingen hebben hen verhinderd om deze cruciale ontwikkelingsstadia in menselijke embryo's in het laboratorium te bestuderen. Daarom wenden onderzoekers zich tot stamcelbio-engineering voor antwoorden.

"Omdat het een kunstmatige, geconstrueerde omgeving die enkele van de fundamentele organisatieprincipes kan nabootsen waarvan wij denken dat ze belangrijk zijn voor de ontwikkeling van menselijke embryo's, ons platform heeft het potentieel om enkele van de uitdagingen die gepaard gaan met het bestuderen van menselijke embryo's in het laboratorium te verlichten en zeer nuttige hints te geven over hoe de eerste stadia van menselijke ontwikkeling beginnen, " zei Mukul Tewary, een promovendus aan het U of T's Institute of Biomaterials &Biomedical Engineering (IBBME). Hij is de hoofdauteur van een paper waarin het platform wordt beschreven en dat in november zal verschijnen in een speciale uitgave van Ontwikkeling en is voorgepubliceerd op de website van het tijdschrift.

"Dit wetende kan ons niet alleen inzichten geven vanuit een fundamenteel biologiestandpunt over hoe we zijn ontstaan, maar ook belangrijke informatie verstrekken die zeer waardevol kan zijn op het gebied van regeneratieve geneeskunde als geheel, ' zei Tewary.

Hoewel een paar studies in de VS eerder "synthetische" embryopatronen hebben aangetoond, Tewary's platform bevordert de technologie op belangrijke manieren waarvan hij denkt dat ze onderzoekers in staat zullen stellen om aannames te testen die ze hebben gemaakt over vroege menselijke ontwikkelingsbiologie op basis van dierstudies en wiskundige modellen. uiteindelijk, onderzoekers hopen dat deze informatie hen dichter bij een al lang bestaand doel van regeneratieve geneeskunde kan brengen:stamcellen gebruiken om nieuwe weefsels en organen in het laboratorium te laten groeien om die te vervangen die door ziekte zijn beschadigd.

Maar wetenschappers, ethici en beleidsmakers zullen moeten navigeren door de netelige vragen die deze nieuwe platforms oproepen. "Tot voor kort, dit was niet iets waar bio-ethici zelfs maar aan hadden gedacht, ' zei Tewary.

Menselijke embryo-achtige structuren hebben geen potentie om zich tot mensen te ontwikkelen, omdat ze voortkomen uit een vel menselijke embryonale stamcellen, in plaats van uit een ei dat is bevrucht door een sperma. Niettemin, hun komst daagt onze definitie uit van wat een embryo is.

Tot voor kort, het was technisch niet mogelijk voor onderzoekers om menselijke embryo's in leven te houden in een schaal voorbij het punt waarop ze normaal gesproken in de baarmoeder zouden worden ingeplant - ongeveer zeven dagen na de bevruchting. Zelfs als ze na dit punt levensvatbaar zouden kunnen blijven, een decennia-oude internationale juridische en regelgevende consensus, vastgelegd in Canada in de Assisted Human Reproduction Act, verbiedt wetenschappers om intacte menselijke embryo's langer dan 14 dagen in het laboratorium te kweken. Dat is wanneer het embryo zichzelf begint te organiseren langs een kop-staart-as die bekend staat als de primitieve streep, en net voor gastrulatie, wanneer de enkellaagse schijf van cellen, de epiblast genaamd, drie verschillende lagen vormt die uiteindelijk verschillende soorten organen worden.

Bio-ethici en wetenschappers hebben zich op de drempel van 14 dagen gevestigd omdat ze de groei van in het laboratorium gekweekte embryo's wilden stoppen voordat de voorlopers van hersencellen zich zelfs maar konden beginnen te vormen. debatten omzeilen over wanneer bewustzijn en het vermogen om pijn te voelen beginnen.

Dankzij recente ontwikkelingen kunnen wetenschappers menselijke embryo's voor langere tijd in een schaal kweken, net 14 dagen. Deze ontwikkeling, samen met de creatie van gemanipuleerde platforms die aanleiding geven tot stamcel-afgeleide, embryo-achtige structuren, hebben "de menselijke ontwikkelingsbiologie op een ramkoers gezet met de '14-dagenregel', " waarschuwde een commentaar vorig jaar in Nature. Of, zoals een recente kop in de MIT Review of Technology het uitdrukte:"Kunstmatige menselijke embryo's komen eraan, en niemand weet hoe ze ermee om moeten gaan."

Wetenschappers zijn er nog niet, maar de vooruitgang gaat snel. In de afgelopen drie jaar, verschillende onderzoeksteams hebben de vroege embryonale ontwikkeling in het laboratorium gemodelleerd door menselijke embryonale stamcellen op oppervlakken met micropatronen te plaatsen, waardoor ze kunnen bepalen waar en hoe de cellen blijven plakken. Vervolgens gebruikten ze verschillende media om groei en differentiatie te induceren.

Het platform ontwikkeld door Tewary en collega's in de laboratoria van universiteitshoogleraar Peter Zandstra en IBBME universitair hoofddocent Rodrigo Fernandez-Gonzalez verbetert dat werk op twee manieren. Het onderzoeksteam gebruikte lithografie met ultraviolet licht om micropatronen over te brengen op een met polymeer bedekte plaat, het verhogen van de efficiëntie en robuustheid van het patroonproces in vergelijking met andere technieken. En in tegenstelling tot andere platforms, die van hen is een hoge doorvoer, waardoor ze vele duizenden embryo-achtige structuren kunnen creëren en hun reacties op verschillende omstandigheden in elk experiment kunnen testen.

Dankzij beide innovaties konden ze met grotere precisie de signalen en signalen identificeren die de vroege ontwikkeling van menselijke embryo's stimuleren. Tewary onderzoekt nu hoe andere ontwikkelingsgebeurtenissen, zoals neurale patronen, uit het systeem kan worden gehaald. Ze kunnen inzicht verschaffen in gastrulatie, wat ongeveer 14 dagen na de bevruchting gebeurt, vragen opwerpen over hoe ethische en juridische overwegingen in evenwicht kunnen worden gebracht met ontdekkingen die wetenschap en geneeskunde fundamenteel zouden kunnen veranderen.

Naarmate deze ontwikkelde platforms geavanceerder worden, onderzoekers en bio-ethici hebben hun bezorgdheid geuit over het feit dat de huidige regels rond embryo-onderzoek mogelijk ontoereikend zijn voor wat ons te wachten staat, vooral als embryo-achtige structuren afgeleid van stamcellen kenmerken beginnen te vertonen die zich voordoen in menselijke embryo's ruim na de eerste 14 dagen van ontwikkeling.

Sommigen pleiten voor een brede internationale discussie over de vraag of de 14-dagenregel moet worden herzien. Vorig jaar, de International Society for Stem Cell Research heeft haar richtlijnen voor stamcelonderzoek bijgewerkt om "te erkennen dat de ontwikkeling van steeds complexere in vitro modellen van vroege stadia van menselijke ontwikkeling een gespecialiseerde beoordeling moet ondergaan."

Anderen beweren dat alleen het aanpassen van de 14-dagenregel misschien niet genoeg is. Eerder dit jaar, Onderzoekers van de Harvard Medical School en de Rijksuniversiteit Groningen voerden aan dat pogingen om vooruit te lopen op de opkomst van "moreel zorgwekkende kenmerken" op basis van ontwikkelingsmijlpalen zoals de primitieve streep, embryo-achtige structuren die mogelijk stappen overslaan of zich langs verschillende tijdlijnen. Ze suggereerden, in plaats daarvan, dat ethische grenzen "zo direct mogelijk moeten worden gebaseerd op het genereren van dergelijke kenmerken, " waarbij onderzoekers en bio-ethici samenwerken om de regels te ontwikkelen.

Maar zelfs als er een consensus is bereikt, eventuele veranderingen zouden jaren in de maak kunnen zijn, gezien de internationale lappendeken van wetten en wetenschappelijke richtlijnen die embryo-onderzoek regelen.

Zandstra, Tewary's supervisor, zei dat hij enthousiast is over de nieuwe wegen voor het beantwoorden van fundamentele biologische vragen en het maken van orgelachtige structuren die dit platform opent, evenals de mogelijkheden die het biedt voor een bredere discussie.

"Het katalyseert interessante en belangrijke juridische, sociale en ethische gesprekken die cruciaal zijn voor Canada om het hoofd te bieden en te leiden, zei Zandstra, die de Canada Research Chair in Stem Cell Bioengineering bekleedt en tevens directeur is van de Michael Smith Laboratories en de School of Biomedical Engineering aan de University of British Columbia. "Als bio-ingenieur meer kun je niet vragen van een project."

Het speciale nummer van Ontwikkeling het vieren van de 100ste verjaardag van de publicatie van D'Arcy Thompson's Over groei en vorm , een baanbrekend boek over de toepassing van wiskunde op biologie, wordt op 28 november gepubliceerd.