Учени успешно създават живи, растящи ембриони на мишки, пълни с предшественици на органи само от стволови клетки, отгледани в петриево блюдо, поддържайки ги живи в продължение на осем дни. Това означава, че се отглеждат без помощта на оплодени яйца.

Този метод отваря нови хоризонти за изучаване на това как стволовите клетки образуват различни органи в развиващия се ембрион. Един ден може също така да направи възможно отглеждането на тъкани и органи за трансплантация с помощта на синтетични ембрионални модели.

Постижението на учени от Научния институт Вайцман в Израел отваря нови хоризонти за медицината, но и повдига въпроси за това докъде могат или трябва да стигнат такива изследвания.

„Ембрионът е най-добрата машина за създаване на органи и най-добрият 3D биопринтер – ние се опитахме да му подражаваме“, коментира проф. Яков Хана (Jacob Hanna) от Департамента по молекулярна генетика на Института "Вайцман", който ръководи изследователския екип.

Хана обяснява, че учените вече знаят как да възстановяват зрели клетки до „стволови“. Всъщност пионерите на това клетъчно препрограмиране печелят Нобелова награда през 2012 г. Но да се върви в обратната посока, т.е. да се накарат стволовите клетки да се диференцират в специализирани телесни клетки, да не говорим за образуването на цели органи, се оказва много по-трудно.

„Досега в повечето проучвания често трудно се създават специализирани клетки - те са или с отклонения, или обикновено се получава каша вместо добре структурирана тъкан, подходяща за трансплантация. Успяхме да преодолеем тези препятствия, като отключихме потенциала за самоорганизация, кодиран в стволовите клетки."

Успехът на екипа на Хана се основава на два предишни постижения в неговата лаборатория. Първото е ефикасен метод за препрограмиране на стволови клетки обратно в "наивно състояние" (naïve state) – тоест до техния най-ранен етап – когато те имат най-голям потенциал да се специализират в различни типове клетки.

Другият пробив, описан в научна статия в Nature през март 2021 г. е електронно контролираното устройство, което екипът разработва в продължение на седем години опити и грешки за отглеждане на естествени миши ембриони извън утроба.

Устройството поддържа ембрионите в хранителен разтвор вътре в непрекъснато движещите се стъкленици, симулирайки начина, по който хранителните вещества се доставят от материалния кръвен поток към плацентата, и контролира отблизо обмена на кислород и атмосферното налягане.

В по-ранните изследвания екипът успешно е използвал това устройство за отглеждане на естествени миши ембриони от ден 5 до ден 11.

В новото проучване, описано в списание Cell, екипът отглежда синтетичния ембрионален модел единствено от недиференцирани ембрионални миши стволови клетки, култивирани в продължение на години в петриево блюдо, без да е необходимо да се започва с оплодена яйцеклетка.

Този подход е изключително ценен, тъй като може до голяма степен да заобиколи техническите и етичните проблеми, свързани с използването на естествени ембриони в научните изследвания и биотехнологиите. Дори при мишките някои експерименти понастоящем са неосъществими, тъй като изискват хиляди ембриони, докато достъпът до модели, получени от миши ембрионални клетки, които растат в лабораторни инкубатори с милиони, е практически неограничен.

Структури на развитие, видими в 8-дневен синтетичен ембрион (горе) и естествен ембрион (долу). Кредит: Weizmann Institute of Science

Преди да поставят стволовите клетки в устройството, изследователите ги разделят на три групи. В една от тях, която съдържа клетки, предназначени да се развият в ембрионални органи, клетките са оставени така, както са. Клетките в другите две групи били предварително третирани само за 48 часа, за да се експресира един от два вида гени: главни регулатори на плацентата или на жълтъчния сак.

"Дадохме на тези две групи клетки временен тласък, за да дадат началото на екстраембрионални тъкани, които поддържат развиващия се ембрион", обяснява Хана.

Скоро след като са смесени заедно в описаното по-рано електронно устройство, трите групи клетки се събират в агрегати, по-голямата част от които не успяват да се развият правилно. Но около 0,5 процента - 50 от около 10 000 - продължават да образуват сфери, всяка от които по-късно се превръща в удължена, подобна на ембрион структура.

Тъй като изследователите са маркирали всяка група клетки с различен цвят, те са имали възможност да наблюдават образуването на плацентата и жълтъчните торбички извън ембрионите и дали развитието на модела протича като при естествен ембрион.

Тези синтетични модели са се развивали нормално до 8,5-ия ден - почти половината от 20-дневната бременност на мишките. На този етап са се формирали всички ранни предшественици на органите, включително биещо сърце, циркулация на стволовите кръвни клетки, мозък с добре оформени гънки, неврална тръба и чревен тракт. В сравнение с естествените миши ембриони синтетичните модели показват 95-процентно сходство както във формата на вътрешните структури, така и в моделите на генна експресия на различните клетъчни типове. Органите, наблюдавани в моделите, дават всички признаци, че са функционални.

_{Схема, показваща иновативния метод за отглеждане на синтетични миши ембриони от стволови клетки - без яйцеклетка, сперматозоид или утроба - разработен в лабораторията на професор Яков Хана. Кредит:  Weizmann Institute of Science}

Всъщност анализите показват, че синтетичните ембриони са много сходни с естествените и като цяло маркерите за развитие са такива, каквито би се очаквало за тяхната възраст. Но след 8-ия ден развитието спира, а сърцата на ембрионите се уголемяват фатално.

За Хана и други изследователи на стволовите клетки и ембрионалното развитие проучването представлява ново поле за изява:

"Следващото ни предизвикателство е да разберем как стволовите клетки знаят какво да правят - как се самосглобяват в органи и намират пътя към определените им места в ембриона. И тъй като нашата система, за разлика от утробата, е прозрачна, тя може да се окаже полезна за моделиране на дефекти при раждането и имплантирането на човешки ембриони."

Освен че ще спомогнат за намаляване на използването на животни в научните изследвания, синтетичните модели на ембриони могат в бъдеще да се превърнат в надежден източник на клетки, тъкани и органи за трансплантация.

"Вместо да разработваме различен протокол за отглеждане на всеки тип клетки - например тези на бъбреците или черния дроб - един ден може да успеем да създадем синтетичен модел, подобен на ембрион, и след това да изолираме необходимите ни клетки. Няма да се налага да диктуваме на новопоявилите се органи как трябва да се развиват. Самият ембрион се справя най-добре с това."

Хана си представя, че тази работа ще доведе до свят, в който лекарите ще могат да вземат биопсия от кожата на пациент и да я превърнат в стволови клетки, които след това ще могат да се развият в каквото им е необходимо - може би идеално подбран бъбрек за трансплантация или здрави клетки от костен мозък за лечение на рак на кръвта.

"Все още е рано, но ние наистина отваряме поле за по-сериозно проучване на тези възможности", заявява пред STAT Хана. "Преминаваме от научна фантастика към наука."

Експертите отбелязват, че изследването допринася за възможността един ден да се създават цели животни от стволови клетки - включително и хора, въпреки че изследователите изрично заявяват, че това не е тяхната цел.

Все пак би било неразумно да не се предвидят различните начини, по които подобна технология би могла да се използва в бъдеще, и да не се разработят етични насоки за изследванията според специалистите.

“Post-Gastrulation Synthetic Embryos Generated Ex Utero from Mouse Naïve ESCs” by Shadi Tarazi, Alejandro Aguilera-Castrejon, Carine Joubran, Nadir Ghanem, Shahd Ashouokhi, Francesco Roncato, Emilie Wildschutz, Montaser Haddad, Bernardo Oldak, Elidet Gomez-Cesar, Nir Livnat, Sergey Viukov, Dmitry Lukshtanov, Segev Naveh-Tassa, Max Rose, Suhair Hanna, Calanit Raanan, Ori Brenner, Merav Kedmi, Hadas Keren-Shaul, Tsvee Lapidot, Itay Maza, Noa Novershtern and Jacob H. Hanna, 1 August 2022, Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2022.07.028

Mouse Embryo: No Sperm, Egg, or Uterus Required, Christie Wilcox, The Scientist

Without Egg, Sperm or Womb: Synthetic Embryo Models May Enable Growing Organs for Transplantation, Weizmann Institute of Science