Cambridge-Wissenschaftler züchten „synthetischen“ Embryo mit Gehirn und schlagendem Herzen

Forscher der University of Cambridge haben synthetische Modellembryonen mit Gehirnen und schlagenden Herzen geschaffen, die das Potenzial haben, andere Organe aus Mausstammzellen zu züchten. Die Forschung wird als ein neuer Weg angepriesen, um die ersten Phasen des Lebens nachzubilden.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Magdalena Zernicka-Goetz verwendete Stammzellen, um das Embryomodell zu entwickeln, anstatt Eier oder Spermien. Stammzellen sind Stammzellen, die sich zu fast jedem anderen Zelltyp im Körper entwickeln können.

Modellembryonen, wie sie von den Forschern gezüchtet werden, könnten helfen, besser zu verstehen, warum sich einige Embryonen zu einer gesunden Schwangerschaft entwickeln, während andere dies nicht tun. Die Ergebnisse könnten auch verwendet werden, um die Reparatur und Entwicklung synthetischer menschlicher Organe zur Verwendung bei Transplantationen zu steuern.

Um die Embryonen zu erzeugen, ahmten die Forscher natürliche Prozesse nach, um drei Arten von Stammzellen zu leiten, die in der frühen Entwicklung von Säugetieren gefunden wurden, bis sie begannen, miteinander zu interagieren. Die Forscher konnten die Stammzellen dazu bringen, miteinander zu „sprechen“, indem sie Gene manipulierten und die richtige Umgebung für die Zellen herstellten.

Von dort aus organisierten sich die Stammzellen zu Strukturen, die schlagende Herzen und die Grundlagen des Gehirns entwickelten. Sie ließen auch den Dottersack wachsen, aus dem Embryonen in den ersten Lebenswochen Nährstoffe beziehen.

Als erste Forschung erreichten diese Embryonen einen Punkt, an dem sich das gesamte Gehirn, einschließlich des vorderen Teils, zu entwickeln begann. Kein anderes von Stammzellen abgeleitetes Modell hat jemals dieses Stadium erreicht.

Die Gruppe von Professor Zernicka-Goetz in Cambridge untersucht diese frühesten Stadien der Schwangerschaft seit einem Jahrzehnt. Sie wollen verstehen, warum manche Schwangerschaften scheitern und andere erfolgreich sind.

„Das Stammzell-Embryo-Modell ist wichtig, weil es uns den Zugang zu der sich entwickelnden Struktur in einem Stadium ermöglicht, das uns normalerweise durch die Einnistung des winzigen Embryos in die Gebärmutter der Mutter verborgen bleibt“, sagte Zernicka-Goetz. „Diese Zugänglichkeit ermöglicht es uns, Gene zu manipulieren, um ihre Rolle bei der Entwicklung in einem experimentellen Modellsystem zu verstehen.“

„Unser Maus-Embryo-Modell entwickelt nicht nur ein Gehirn, sondern auch ein schlagendes Herz, alle Komponenten, aus denen der Körper besteht“, sagte Professor Zernicka-Goetz, Professorin für Säugetierentwicklung und Stammzellbiologie am Department of Cambridge Physiologie, Entwicklung und Neurowissenschaften. „Es ist einfach unglaublich, dass wir so weit gekommen sind. Dies ist seit Jahren der Traum unserer Community und seit einem Jahrzehnt der Hauptfokus unserer Arbeit, und endlich haben wir es geschafft.“

Damit sich ein menschlicher Embryo erfolgreich entwickeln kann, müssen die Gewebe, die zum Embryo werden, und die Gewebe, die den Embryo mit der Mutter verbinden, einen „Dialog“ führen. In der ersten Woche nach der Befruchtung entwickeln sich drei Arten von Stammzellen: eine, die zu Körpergewebe wird, und zwei, die die Entwicklung des Embryos unterstützen.

Eines der Gewebe, das die Entwicklung des Embryos unterstützt, ist die Plazenta, die den Fötus mit der Mutter verbindet und Sauerstoff und Nährstoffe liefert. Der andere ist der Dottersack, in dem der Embryo wächst und während der frühen Entwicklung Nährstoffe erhält.

Viele Schwangerschaften scheitern an dem Punkt, an dem die drei Arten von Stammzellen beginnen, sich gegenseitig chemische und mechanische Signale zu senden. Professor Zernicka-Goetz, ebenfalls Professorin für Biologie und Bioingenieurwesen am Caltech, erklärte: „Um diese Zeit scheitern so viele Schwangerschaften, bevor die meisten Frauen merken, dass sie schwanger sind. Diese Zeit ist die Grundlage für alles, was in der Schwangerschaft folgt. Wenn es schief geht, wird die Schwangerschaft scheitern.“

Die Forscher fanden heraus, dass die extraembryonalen Zellen den embryonalen Zellen durch chemische Signale signalisieren. Sie kommunizieren auch mechanisch oder durch Berührung, um die Entwicklung des Embryos zu steuern.

„Dieser Abschnitt des menschlichen Lebens ist so mysteriös, also in der Lage zu sein, zu sehen, wie es in einer Schüssel passiert – Zugang zu diesen einzelnen Stammzellen zu haben, zu verstehen, warum so viele Schwangerschaften scheitern und wie wir das verhindern können – ist etwas ganz Besonderes“, sagte Zernicka-Goetz. „Wir haben uns den Dialog angeschaut, der damals zwischen den verschiedenen Stammzelltypen stattfinden muss – wir haben gezeigt, wie er abläuft und wie er schief gehen kann.“

Das Modell ist auch das erste, das die Entwicklung des vorderen Teils des Gehirns und tatsächlich des gesamten Gehirns signalisiert. „Das eröffnet neue Möglichkeiten, die Mechanismen der Neuroentwicklung in einem experimentellen Modell zu untersuchen“, sagt Zernicka-Goetz.

„Tatsächlich demonstrieren wir den Beweis dieses Prinzips in der Arbeit, indem wir ein Gen ausschalten, von dem bereits bekannt ist, dass es für die Bildung des Neuralrohrs, dem Vorläufer des Nervensystems, und für die Entwicklung von Gehirn und Augen wesentlich ist. In Abwesenheit dieses Gens zeigen die synthetischen Embryonen genau die bekannten Defekte in der Gehirnentwicklung wie bei einem Tier, das diese Mutation trägt. Das bedeutet, dass wir damit beginnen können, diese Art von Ansatz auf die vielen Gene mit unbekannter Funktion in der Gehirnentwicklung anzuwenden.“

Aktuelle Forschung wurde in Mausmodellen durchgeführt, aber die Forscher entwickeln ähnliche menschliche Modelle. Diese können verwendet werden, um bestimmte Organtypen zu generieren, um Prozesse zu verstehen, die sonst unmöglich in echten Embryonen untersucht werden könnten.

Derzeit erlaubt das britische Recht die Untersuchung menschlicher Embryonen im Labor nur bis zum 14. Tag der Entwicklung. Sollten sich die vom Team um Zernicka-Goetz entwickelten Methoden in Zukunft bei menschlichen Stammzellen als erfolgreich erweisen, könnten sie auch bei der Entwicklung synthetischer Organe für Patienten eingesetzt werden, die auf eine Transplantation warten.

Zernicka-Goetz sagte: „Es gibt so viele Menschen auf der ganzen Welt, die jahrelang auf Organtransplantationen warten. Was unsere Arbeit so spannend macht, ist, dass das daraus resultierende Wissen dazu verwendet werden könnte, korrekte synthetische menschliche Organe zu züchten, um Leben zu retten, die derzeit verloren sind. Es sollte auch möglich sein, erwachsene Organe zu beeinflussen und zu heilen, indem man das Wissen nutzt, das wir über ihre Herstellung haben.“

Sie fügte hinzu: „Dies ist ein unglaublicher Schritt nach vorne und hat 10 Jahre harter Arbeit vieler meiner Teammitglieder gekostet – ich hätte nie gedacht, dass wir so weit kommen würden. Du glaubst nie, dass deine Träume wahr werden, aber sie sind wahr geworden.“

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