Forskare vid University of Torontos Medicine By Design har konstruerat en ny plattform för att studera de tidigaste stadierna av mänsklig utveckling i labbet, dra tillbaka gardinen för viktiga biologiska processer som hittills har ägt rum inuti livmodern, bortom forskarnas blick.
Tros vara den första i sitt slag i Kanada, tekniken gör det möjligt för mänskliga embryonala stamceller att självorganisera sig till en struktur med embryoliknande egenskaper, inklusive de tidiga prekursorerna till organ som hjärnan, hjärtat och levern.
Forskare som försöker behandla sjukdomar genom att utnyttja den mänskliga kroppens förmåga till självförnyelse har länge försökt förstå dessa processer eftersom de tror att de har insikter som kan vara avgörande för att utveckla nya regenerativa medicinterapier. Men tekniska hinder, Etiska problem och juridiska restriktioner har hindrat dem från att studera dessa avgörande utvecklingsstadier i mänskliga embryon i labbet. Det är därför forskare vänder sig till stamcellsbioteknik för att få svar.
"Eftersom det är en konstgjord, konstruerad miljö som kan efterlikna några av de grundläggande organiseringsprinciper som vi tror är viktiga för mänskliga embryonutveckling, vår plattform har potential att lindra några av de utmaningar som är förknippade med att studera mänskliga embryon i labbet och ge mycket användbara tips om hur de inledande stadierna av mänsklig utveckling startar, " sa Mukul Tewary, en doktorand vid U of T's Institute of Biomaterials &Biomedical Engineering (IBBME). Han är huvudförfattare till en artikel som beskriver plattformen som kommer att dyka upp i november i ett specialnummer av Utveckling och har förpublicerats på tidskriftens hemsida.
"Att veta detta kan inte bara ge oss insikter från en grundläggande biologisk synvinkel om hur vi kommer till, men också ge nyckelinformation som kan vara mycket värdefull inom området för regenerativ medicin som helhet, " sa Tewary.
Medan några studier i USA tidigare har visat "syntetisk" embryomönster, Tewarys plattform utvecklar tekniken på viktiga sätt som han tror kommer att göra det möjligt för forskare att börja testa antaganden de har gjort om tidig mänsklig utvecklingsbiologi baserat på djurstudier och matematisk modellering. I sista hand, forskare hoppas att denna information kan föra dem närmare ett långvarigt mål för regenerativ medicin:att använda stamceller för att odla nya vävnader och organ i labbet för att ersätta de som har skadats av sjukdomar.
Men vetenskapsmän, Etiker och beslutsfattare kommer att behöva navigera i de svåra frågor som dessa nya plattformar väcker. "Fram till nyligen, detta var inte något bioetiker ens hade tänkt på, " sa Tewary.
Mänskliga embryoliknande strukturer har ingen potential att utvecklas till människor eftersom de uppstår från ett ark av mänskliga embryonala stamceller, snarare än från ett ägg som har befruktats av en spermie. Ändå, deras tillkomst utmanar vår definition av vad ett embryo är.
Tills nyligen, det var inte tekniskt möjligt för forskare att hålla mänskliga embryon vid liv i en skål bortom den punkt då de normalt skulle implanteras i livmodern – ungefär sju dagar efter befruktningen. Även om de kunde förbli livskraftiga efter denna punkt, ett decennier gammalt internationellt juridiskt och regulatoriskt samförstånd, inskriven i Kanada i Assisted Human Reproduction Act, förbjuder forskare att odla intakta mänskliga embryon i labbet längre än 14 dagar. Det är då embryot börjar självorganisera sig längs en huvud-till-svans-axel känd som den primitiva strimmen, och strax före gastrulation, när den enskiktade skivan av celler som kallas epiblasten bildar tre distinkta lager som så småningom blir olika typer av organ.
Bioetiker och forskare slog sig ner på 14-dagarströskeln eftersom de ville stoppa tillväxten av laboratorieodlade embryon innan föregångarna till hjärnceller ens kunde börja bildas, kringgå debatter om när medvetandet och förmågan att känna smärta börjar.
De senaste framstegen gör det möjligt för forskare att odla mänskliga embryon i en maträtt under längre tidsperioder, bara 14 dagar. Denna utveckling, tillsammans med skapandet av konstruerade plattformar som ger upphov till stamcellshärledda, embryoliknande strukturer, har "satt mänsklig utvecklingsbiologi på kollisionskurs med '14-dagarsregeln', " varnade en kommentar förra året i Nature. Eller, som en ny rubrik i MIT Review of Technology uttryckte det, "Konstgjorda mänskliga embryon kommer, och ingen vet hur man hanterar dem."
Forskare är inte där än men framstegen sker snabbt. Under de senaste tre åren, flera forskarlag har modellerat tidig embryonal utveckling i labbet genom att placera mänskliga embryonala stamceller på mikromönstrade ytor, som låter dem kontrollera var och hur cellerna fastnar. De använde sedan olika medier för att framkalla tillväxt och differentiering.
Plattformen som utvecklats av Tewary och kollegor i universitetsprofessor Peter Zandstras och IBBMEs docent Rodrigo Fernandez-Gonzalez labb förbättrar det arbetet på två sätt. Forskargruppen använde ultraviolett ljus litografi för att överföra mikromönster till en polymertäckt platta, öka effektiviteten och robustheten i mönstringsprocessen jämfört med andra tekniker. Och till skillnad från andra plattformar, deras är hög genomströmning, gör det möjligt för dem att skapa många tusen embryoliknande strukturer och testa deras svar på en mängd olika förhållanden i varje experiment.
Båda innovationerna har gjort det möjligt för dem att med större precision identifiera de signaler och signaler som driver tidig utveckling hos mänskliga embryon. Tewary undersöker nu hur andra utvecklingshändelser, såsom neurala mönster, kan luras ut ur systemet. De kan ge insikter om gastrulation, vilket händer cirka 14 dagar efter befruktningen, väcker frågor om hur man balanserar etiska och juridiska överväganden med upptäckter som i grunden kan förändra vetenskap och medicin.
När dessa konstruerade plattformar blir mer sofistikerade, Forskare och bioetiker har uttryckt oro för att nuvarande regler kring embryoforskning kan vara otillräckliga för vad som kan ligga framför oss, speciellt om embryoliknande strukturer härrörande från stamceller börjar visa egenskaper som dyker upp i mänskliga embryon långt efter de första 14 dagarna av utvecklingen.
Vissa efterlyser en bred internationell diskussion om huruvida 14-dagarsregeln bör ses över. Förra året, International Society for Stem Cell Research uppdaterade sina riktlinjer för stamcellsforskning för att "inse att utvecklingen av allt mer komplexa in vitro-modeller av tidiga stadier av mänsklig utveckling bör genomgå specialiserad översyn."
Andra hävdar att det kanske inte är tillräckligt att justera 14-dagarsregeln. Tidigare i år, forskare vid Harvard Medical School och University of Groningen hävdade att ett försök att förebygga uppkomsten av "moraliskt berörande egenskaper" baserat på utvecklingsmilstolpar som den primitiva streaken inte kommer att ta itu med embryoliknande strukturer som kan hoppa över steg eller utvecklas längs olika tidslinjer. De föreslog, istället, att etiska gränser bör "baseras så direkt som möjligt på genereringen av sådana egenskaper, " med forskare och bioetiker som arbetar tillsammans för att utveckla reglerna.
Men även när en konsensus nås, Alla förändringar kan vara år på väg med tanke på det internationella lapptäcket av lagar och vetenskapliga riktlinjer som styr embryoforskning.
Zandstra, Tewarys handledare, sa att han är exalterad över de nya vägarna för att svara på grundläggande biologiska frågor och göra organliknande strukturer som denna plattform öppnar, samt de möjligheter det ger för en bredare diskussion.
"Det katalyserar intressanta och viktiga juridiska, sociala och etiska samtal som är avgörande för Kanada att möta och leda i, sade Zandstra, som innehar Canada Research Chair i Stem Cell Bioengineering och är också chef för Michael Smith Laboratories och School of Biomedical Engineering vid University of British Columbia. "Som bioingenjör, det finns inte mycket mer du kan begära från ett projekt."
Specialnumret av Utveckling firar 100-årsdagen av publiceringen av D'Arcy Thompsons Om tillväxt och form , en framstående bok om tillämpningen av matematik på biologi, publiceras den 28 november.
