Ontwikkeling van synthetische embryomodellen van dag 1 (linksboven) tot dag 8 (rechtsonder). Al hun vroege orgaanvoorouders waren gevormd, waaronder een kloppend hart, een opkomende bloedsomloop, een brein, een neurale buis en een darmkanaal. Foto met dank aan Weizmann Institute
Geen ei, geen sperma, geen baarmoeder - onderzoekers van het Israëlische Weizmann Institute of Science kweekten synthetische embryomodellen van muizen uit stamcellen die in een petrischaal waren gekweekt.
Dit model zou wetenschappers kunnen helpen bestuderen hoe stamcellen verschillende organen vormen in het zich ontwikkelende embryo, en zou het op een dag mogelijk kunnen maken om weefsels en organen voor transplantatie te laten groeien met behulp van synthetische embryomodellen.
“Het embryo is de beste orgaanmachine en de beste 3D-bioprinter. We hebben geprobeerd te evenaren wat het doet”, zegt prof. Jacob Hanna van de afdeling Moleculaire Genetica van Weizmann, die het onderzoeksteam leidde, tegen ISRAEL21C.
Van links naar rechts ontwikkelden Dr. Noa Novershtern, Prof. Jacob Hanna, Alejandro Aguilera-Castrejon, Shadi Tarazi en Carine Joubran muisembryo's zonder ei, sperma of baarmoeder. Foto met dank aan Weizmann Institute
"Tot nu toe waren de gespecialiseerde cellen in de meeste onderzoeken vaak moeilijk te produceren of afwijkend, en ze hadden de neiging om een mengelmoes te vormen in plaats van goed gestructureerd weefsel dat geschikt was voor transplantatie. We zijn erin geslaagd om deze hindernissen te overwinnen door het zelforganisatiepotentieel dat in de stamcellen is gecodeerd, te ontketenen.”
Zoals beschreven in de studie gepubliceerd in Cell, gebruikte Hanna's team twee eerdere ontwikkelingen in zijn laboratorium: een efficiënte methode voor het herprogrammeren van stamcellen terug naar hun vroegste stadium en een elektronisch gestuurd apparaat voor het kweken van natuurlijke muisembryo's buiten de baarmoeder.
In het huidige experiment ontwikkelden 50 van de ongeveer 10.000 stamcellen zich met succes tot embryo-achtige structuren. Acht en een halve dag later - bijna de helft van de 20-daagse zwangerschap van de muis - had elk embryo een kloppend hart, bloedstamcelcirculatie, hersenen met goed gevormde plooien, een neurale buis en een darmkanaal gevormd.
Ontwikkeling van synthetische muisembryo modellen in bekers, van dag 5 (linksboven) tot dag 8 (rechtsonder). Foto met dank aan Weizmann Institute
Vergeleken met natuurlijke muizenembryo's vertoonden de synthetische modellen een overeenkomst van 95 procent in de vorm van interne structuren en de genexpressiepatronen van verschillende celtypen.
Het kweken van een synthetisch embryomodel uitsluitend uit stamcellen die in een petrischaal zijn gekweekt, zou onderzoekers in grote mate kunnen helpen de technische en ethische problemen te vermijden die gepaard gaan met het gebruik van menselijke embryo's in onderzoek en biotechnologie.
Zelfs met muizen zijn bepaalde experimenten momenteel onmogelijk omdat ze duizenden embryo's zouden vereisen. De stamcelembryo's zouden met miljoenen in couveuses kunnen worden gekweekt.
"Onze volgende uitdaging is om te begrijpen hoe stamcellen weten wat ze moeten doen - hoe ze zichzelf tot organen assembleren en hun weg vinden naar hun toegewezen plekken in een embryo", zei Hanna tegen ISRAEL21C.
"En omdat ons systeem, in tegenstelling tot een baarmoeder, transparant is, kan het nuttig zijn voor het modelleren van geboorte- en implantatiedefecten van menselijke embryo's."
Naast het helpen verminderen van het gebruik van dieren in onderzoek, kunnen synthetische embryomodellen in de toekomst een betrouwbare bron worden van cellen, weefsels en organen voor transplantatie.
"In plaats van een ander protocol te ontwikkelen voor het kweken van elk celtype - bijvoorbeeld die van de nier of de lever - kunnen we op een dag misschien een synthetisch embryo-achtig model maken en vervolgens de cellen isoleren die we nodig hebben. We hoeven de opkomende organen niet voor te schrijven hoe ze zich moeten ontwikkelen. Het embryo zelf doet dit het beste, " aldus Hanna.
