Foto Weizmann Instituut
Een doorbraak in de groei van synthetische menselijke embryo's: Onderzoekers van het Weizmann Instituut in Israël hebben een 14 dagen oud, uit stamcellen afgeleid menselijk embryomodel gecreëerd. Wat betekent dat en hoe kan het worden gebruikt om ziekten te bestuderen?
Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Jacob Hanna van het Weizmann Institute of Science heeft complete modellen van menselijke embryo’s gemaakt van stamcellen die in het laboratorium zijn gekweekt – en is erin geslaagd deze tot dag 14 buiten de baarmoeder te laten groeien. Zoals vandaag in Nature wordt gerapporteerd, hebben deze synthetische embryomodellen alle structuren en compartimenten die kenmerkend zijn voor dit stadium, inclusief de placenta, de dooierzak, de chorionzak en andere externe weefsels die de dynamische en adequate groei van de modellen garanderen.
Het onderzoeksteam. Prof. Jacob Hanna staat in het midden. Foto Weizmann Instituut
Cellulaire aggregaten die in eerdere onderzoeken uit menselijke stamcellen zijn afgeleid, konden niet als echt nauwkeurige menselijke embryomodellen worden beschouwd, omdat ze bijna alle bepalende kenmerken van een post-implantatie-embryo misten. In het bijzonder slaagden ze er niet in verschillende celtypen te bevatten die essentieel zijn voor de ontwikkeling van het embryo, zoals de cellen die de placenta en de chorionzak vormen. Bovendien hadden ze niet de structurele organisatie die kenmerkend is voor het embryo en vertoonden ze geen dynamisch vermogen om door te gaan naar de volgende ontwikkelingsfase.
Gezien hun authentieke complexiteit kunnen de door Hanna's groep verkregen modellen van menselijke embryo's een ongekende kans bieden om nieuw licht te werpen op het mysterieuze begin van het embryo. Er is weinig bekend over het vroege embryo, omdat het om zowel ethische als technische redenen zo moeilijk te bestuderen is. Toch zijn de beginfasen ervan cruciaal voor de toekomstige ontwikkeling ervan. Tijdens deze stadia wordt de klomp cellen die zich op de zevende dag van zijn bestaan in de baarmoeder implanteert, binnen drie tot vier weken een goed gestructureerd embryo dat alle lichaamsorganen al bevat.
“Het drama zit in de eerste maand, de overige acht maanden van de zwangerschap zijn vooral veel groei”, zegt Hanna. “Maar die eerste maand is nog grotendeels een black box. Ons uit stamcellen afkomstige menselijke embryomodel biedt een ethische en toegankelijke manier om in dit kader te kijken. Het bootst nauwgezet de ontwikkeling van een echt menselijk embryo na, in het bijzonder de opkomst van zijn voortreffelijk verfijnde architectuur.”
Een gekleurde afbeelding van een uit stamcellen afkomstig menselijk embryomodel in een ontwikkelingsstadium dat gelijkwaardig is aan dat van een menselijk embryo op dag 12, en dat alle compartimenten heeft die typisch zijn voor dit stadium. De bovenste bol bevat het deel dat het embryo zelf zal worden, afgedekt door de amnion. Foto: Weizmann Instituut
Het embryomodel ‘Go!’ laten zeggen
Hanna's team bouwde voort op hun eerdere ervaring met het maken van op synthetische stamcellen gebaseerde modellen van muizenembryo's. Net als bij dat onderzoek maakten de wetenschappers geen gebruik van bevruchte eicellen of een baarmoeder. In plaats daarvan begonnen ze met menselijke cellen die bekend staan als pluripotente stamcellen, die het potentieel hebben om te differentiëren in vele, maar niet alle, celtypen. Sommige waren afgeleid van volwassen huidcellen die waren teruggekeerd naar ‘stengelheid’. Anderen waren het nageslacht van menselijke stamcellijnen die jarenlang in het laboratorium waren gekweekt.
De onderzoekers gebruikten vervolgens de onlangs ontwikkelde methode van Hanna om pluripotente stamcellen te herprogrammeren, zodat de klok verder teruggedraaid wordt: om deze cellen terug te brengen naar een nog eerdere staat – bekend als de naïeve staat – waarin ze in staat zijn om alles te worden, dat wil zeggen: gespecialiseerd in elk type cel. Deze fase komt overeen met dag 7 van het natuurlijke menselijke embryo, rond de tijd dat het zich in de baarmoeder implanteert. Hanna's team was in 2013 zelfs de eerste geweest die methoden begon te beschrijven om menselijke naïeve stamcellen te genereren; ze bleven deze methoden, die de kern vormen van het huidige project, door de jaren heen verbeteren .
De wetenschappers verdeelden de cellen in drie groepen. De cellen die bedoeld waren om zich tot het embryo te ontwikkelen, bleven zoals ze zijn. De cellen in elk van de andere groepen werden alleen met chemicaliën behandeld, zonder enige noodzaak voor genetische modificatie, om bepaalde genen aan te zetten, wat bedoeld was om deze cellen te laten differentiëren naar een van de drie weefseltypen die nodig zijn om het embryo in stand te houden: placenta, dooierzak of het extra-embryonale mesodermmembraan dat uiteindelijk de chorionzak creëert.
Een beeldvorming van een uit stamcellen afgeleid menselijk embryomodel in een ontwikkelingsstadium dat gelijkwaardig is aan dat van een embryo van dag 14. Het model heeft alle compartimenten die deze fase definiëren: de dooierzak (geel) en het deel dat het embryo zelf zal worden, met daarbovenop het amnion (blauw) – allemaal omhuld door cellen die de placenta zullen worden (roze). Foto: Weizmann Instituut
Kort nadat ze onder geoptimaliseerde, specifiek ontwikkelde omstandigheden met elkaar waren gemengd, vormden de cellen klonten, waarvan ongeveer 1 procent zichzelf organiseerde in volledige embryo-achtige structuren. “Een embryo is per definitie zelfsturend; we hoeven hem niet te vertellen wat hij moet doen; we moeten alleen zijn intern gecodeerde potentieel ontketenen”, zegt Hanna. “Het is van cruciaal belang om in het begin de juiste soorten cellen te mengen, die alleen kunnen worden afgeleid van naïeve stamcellen die geen ontwikkelingsbeperkingen kennen. Zodra je dat doet, zegt het embryo-achtige model zelf: 'Go!'”
De op stamcellen gebaseerde embryo-achtige structuren (SEM's genoemd) ontwikkelden zich normaal gesproken buiten de baarmoeder gedurende 8 dagen en bereikten een ontwikkelingsstadium dat equivalent was aan dag 14 in de menselijke embryonale ontwikkeling. Dat is het punt waarop natuurlijke embryo's de interne structuren verwerven die hen in staat stellen door te gaan naar de volgende fase: het ontwikkelen van de voorlopers van lichaamsorganen.
Complete menselijke embryomodellen komen qua structuur en celidentiteit overeen met klassieke diagrammen
Toen de onderzoekers de innerlijke organisatie van hun uit stamcellen afkomstige embryomodellen vergeleken met illustraties en microscopische anatomiesecties in klassieke embryologische atlassen uit de jaren zestig, ontdekten ze een griezelige structurele gelijkenis tussen de modellen en de natuurlijke menselijke embryo's in het overeenkomstige stadium. Elk compartiment en elke ondersteunende structuur was er niet alleen, maar ook op de juiste plaats, maat en vorm. Zelfs de cellen die het hormoon maken dat bij zwangerschapstests wordt gebruikt, waren aanwezig en actief: toen de wetenschappers afscheidingen uit deze cellen toepasten op een commerciële zwangerschapstest, kwam deze positief uit.
Dit impliceerde dat hun modellen getrouw het proces nabootsten waarbij een vroeg embryo alle structuren verkrijgt die het nodig heeft om zijn transformatie tot een foetus te beginnen. "Veel mislukte zwangerschappen komen voor in de eerste paar weken, vaak voordat de vrouw zelfs maar weet dat ze zwanger is", zegt Hanna. “Dat is ook het moment waarop veel geboorteafwijkingen ontstaan, ook al worden ze vaak veel later ontdekt. Onze modellen kunnen worden gebruikt om de biochemische en mechanische signalen bloot te leggen die zorgen voor een goede ontwikkeling in dit vroege stadium, en de manieren waarop die ontwikkeling fout kan gaan.”
In feite heeft het onderzoek al een bevinding opgeleverd die een nieuwe richting kan openen in het onderzoek naar mislukken van vroege zwangerschappen. De onderzoekers ontdekten dat als het embryo op dag 3 van het protocol (overeenkomend met dag 10 in de natuurlijke embryonale ontwikkeling) niet op de juiste manier wordt omhuld door placenta-vormende cellen, de interne structuren, zoals de dooierzak, zich niet goed kunnen ontwikkelen. .
“Een embryo is niet statisch. Het moet de juiste cellen in de juiste organisatie hebben, en het moet vooruitgang kunnen boeken – het gaat om zijn en worden”, zegt Hanna. “Onze complete embryomodellen zullen onderzoekers helpen de meest fundamentele vragen te beantwoorden over wat de juiste groei bepaalt.”
Deze ethische benadering om de mysteries van de allereerste stadia van de embryonale ontwikkeling te ontrafelen zou talloze onderzoekspaden kunnen openen. Het kan helpen de oorzaken van veel geboorteafwijkingen en vormen van onvruchtbaarheid aan het licht te brengen. Het zou ook kunnen leiden tot nieuwe technologieën voor het kweken van transplantatieweefsels en -organen. En het zou een oplossing kunnen bieden voor experimenten die niet op levende embryo’s kunnen worden uitgevoerd – bijvoorbeeld het vaststellen van de effecten van blootstelling aan medicijnen of andere stoffen op de ontwikkeling van de foetus.
Deelnemers aan deze studie waren Dr. Bernardo Oldak, Emilie Wildschutz, Dr. Vladyslav Bondarenko, Alejandro Aguilera-Castrejon, Shadi Tarazi, Mehmet-Yunus Comar, Shahd Ashouokhi, Dmitry Lokshtanov, Dr. Francesco Roncato, Sergey Viukov, Eitan Ariel, Max Rose, Nir Livnat, Dr. Tom Shani, Carine Joubran, Roni Cohen en Dr. Noa Novershtern van Hanna's laboratorium op de afdeling Moleculaire Genetica van Weizmann; Dr. Yoseph Addadi en Dr. Merav Kedmi van de afdeling Life Sciences Core Facilities van Weizmann; Dr. Hadas Keren-Shaul van het Nancy en Stephen Grand Israel National Center for Personalised Medicine; Dr. Cheng Zhao, Prof. Sophie Petropoulos en Prof. Fredrik Lanner van het Karolinska Institutet; en Prof. Vincent Pasque van de Universiteit van Leuven, België.
Het onderzoek van prof. Jacob Hanna wordt ondersteund door het Helen and Martin Kimmel Institute for Stem Cell Research , en door Pascal en Ilana Mantoux.
