Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en Caltech hebben modelmuizenembryo's gemaakt van stamcellen - de hoofdcellen van het lichaam, die zich kunnen ontwikkelen tot bijna elk celtype in het lichaam - die een kloppend hart hebben, evenals de basis voor een brein en alle andere de andere organen in het lichaam van de muis.

De resultaten zijn het resultaat van meer dan tien jaar onderzoek en kunnen onderzoekers helpen begrijpen waarom sommige embryo's falen terwijl andere zich ontwikkelen tot een foetus als onderdeel van een gezonde zwangerschap. Bovendien kunnen de resultaten worden gebruikt om de reparatie en ontwikkeling van synthetische menselijke organen voor transplantatie te begeleiden.

Het onderzoek werd uitgevoerd in het laboratorium van Magdalena Zernicka-Goetz, Bren Professor of Biology and Biological Engineering aan Caltech. Zernicka-Goetz is ook professor in de ontwikkeling van zoogdieren en stamcelbiologie in Cambridge's Department of Physiology, Development and Neuroscience. Een paper waarin de doorbraak wordt beschreven, verschijnt in het tijdschrift Nature op 25 augustus.

Het embryomodel is ontwikkeld zonder eieren of sperma. In plaats daarvan bootsten de onderzoekers natuurlijke processen in het laboratorium na door de drie soorten stamcellen die in de vroege ontwikkeling van zoogdieren worden gevonden, te begeleiden tot het punt waarop ze beginnen met elkaar te interageren. Door de expressie van een bepaalde reeks genen te induceren en een unieke omgeving voor hun interacties te creëren, konden de onderzoekers de stamcellen met elkaar laten 'praten'.

De stamcellen organiseerden zichzelf in structuren die door de opeenvolgende ontwikkelingsstadia vorderden totdat de synthetische embryo's kloppende harten en de basis voor hersenen hadden, evenals de dooierzak waar het embryo zich ontwikkelt en waaruit het in de eerste weken voedingsstoffen ontvangt. Dit is het meest geavanceerde ontwikkelingsstadium dat tot nu toe is bereikt in een van stamcellen afgeleid model.

Een belangrijke vooruitgang in deze studie is het vermogen om de hele hersenen te genereren, in het bijzonder het voorste gebied, wat een "heilige graal" is geweest in de ontwikkeling van synthetische embryo's.

"Dit opent nieuwe mogelijkheden om de mechanismen van neurologische ontwikkeling in een experimenteel model te bestuderen", zegt Zernicka-Goetz. "In feite demonstreren we het bewijs van dit principe in het artikel door een gen uit te schakelen waarvan al bekend is dat het essentieel is voor de vorming van de neurale buis, de voorloper van het zenuwstelsel, en voor de ontwikkeling van hersenen en ogen. Bij afwezigheid van dit gen , de synthetische embryo's vertonen precies de bekende defecten in de hersenontwikkeling als bij een dier dat deze mutatie draagt. Dit betekent dat we dit soort benadering kunnen gaan toepassen op de vele genen met onbekende functie in de hersenontwikkeling."

"Ons muisembryomodel ontwikkelt niet alleen hersenen, maar ook een kloppend hart, alle componenten die het lichaam vormen", legt ze uit. "Het is gewoon ongelooflijk dat we zo ver zijn gekomen. Dit is al jaren de droom van onze gemeenschap, en de belangrijkste focus van ons werk voor een decennium, en eindelijk hebben we het gedaan."

Om een ​​menselijk embryo succesvol te laten ontwikkelen, moet er een "dialoog" zijn tussen de weefsels die het embryo zullen worden en de weefsels die het embryo met de moeder zullen verbinden. In de eerste week na de bevruchting ontwikkelen zich drie soorten stamcellen:de ene wordt uiteindelijk de weefsels van het lichaam en de andere twee ondersteunen de ontwikkeling van het embryo. Een van deze laatste twee typen, bekend als extra-embryonale stamcellen, wordt de placenta, die de foetus met de moeder verbindt en zuurstof en voedingsstoffen levert. De andere wordt de dooierzak, waar het embryo groeit en waaruit het in de vroege ontwikkeling voedingsstoffen ontvangt.

Veel zwangerschappen mislukken op het moment dat de drie soorten stamcellen mechanische en chemische signalen naar elkaar beginnen te sturen, die het embryo vertellen hoe het zich goed moet ontwikkelen.

"Deze vroege periode is de basis voor al het andere dat volgt tijdens de zwangerschap", zegt Zernicka-Goetz. "Als het misgaat, mislukt de zwangerschap."

In het afgelopen decennium heeft het team van Zernicka-Goetz deze vroegste stadia van de zwangerschap bestudeerd om te begrijpen waarom sommige zwangerschappen mislukken en andere slagen.

"Het stamcelembryomodel is belangrijk omdat het ons toegang geeft tot de zich ontwikkelende structuur in een stadium dat normaal voor ons verborgen is vanwege de implantatie van het kleine embryo in de baarmoeder", zegt Zernicka-Goetz. "Deze toegankelijkheid stelt ons in staat om genen te manipuleren om hun ontwikkelingsrollen in een experimenteel modelsysteem te begrijpen."

Om de ontwikkeling van hun synthetische embryo te begeleiden, hebben de onderzoekers gekweekte stamcellen samengesteld die elk van de drie soorten weefsel vertegenwoordigen en hebben ze ze in staat gesteld zich te ontwikkelen in proporties en een omgeving die bevorderlijk is voor hun groei en communicatie met elkaar, wat leidt tot hun uiteindelijke zelf- assemblage tot een embryo.

De onderzoekers ontdekten dat de extra-embryonale cellen een signaal afgeven aan embryonale cellen door middel van chemische signalen, maar ook mechanisch of door aanraking, waardoor de ontwikkeling van het embryo wordt geleid.

"Deze periode van het menselijk leven is zo mysterieus, dus om te kunnen zien hoe het gebeurt in een schaal - om toegang te hebben tot deze individuele stamcellen, om te begrijpen waarom zoveel zwangerschappen mislukken en hoe we dat kunnen voorkomen -is best speciaal", zegt Zernicka-Goetz. "We hebben gekeken naar de dialoog die er op dat moment moet plaatsvinden tussen de verschillende soorten stamcellen. We hebben laten zien hoe het ontstaat en hoe het fout kan gaan."

Terwijl het huidige onderzoek werd uitgevoerd in muismodellen, ontwikkelen de onderzoekers een analoog model voor de ontwikkeling van menselijke embryo's om mechanismen achter cruciale processen te begrijpen die anders onmogelijk in echte embryo's te bestuderen zouden zijn.

Als blijkt dat deze methoden in de toekomst succesvol zijn bij menselijke stamcellen, kunnen ze ook worden gebruikt om de ontwikkeling van synthetische organen te begeleiden voor patiënten die wachten op transplantatie. "Er zijn zoveel mensen over de hele wereld die jaren wachten op orgaantransplantaties", zegt Zernicka-Goetz. "Wat ons werk zo opwindend maakt, is dat de kennis die eruit voortkomt gebruikt kan worden om correcte synthetische menselijke organen te laten groeien om levens te redden die momenteel verloren gaan. Het zou ook mogelijk moeten zijn om volwassen organen aan te tasten en te genezen door gebruik te maken van de kennis die we hebben over hoe ze zijn gemaakt."

Het artikel is getiteld "Van stamcellen afgeleide muizenembryo's ontwikkelen zich in een extra-embryonale dooierzak om voorste hersengebieden en een kloppend hart te vormen." De co-eerste auteurs zijn Gianluca Amadei en Charlotte Handford van de Universiteit van Cambridge. + Verder verkennen

Onderzoekers bouwen embryo-achtige structuren van menselijke stamcellen