Forskare från University of Cambridge och Caltech har skapat modellmusembryon från stamceller – kroppens masterceller, som kan utvecklas till nästan vilken celltyp som helst i kroppen – som har bankande hjärtan, såväl som grunden för en hjärna och allt de andra organen i muskroppen.

Resultaten är kulmen på mer än ett decennium av forskning, och de kan hjälpa forskare att förstå varför vissa embryon misslyckas medan andra fortsätter att utvecklas till ett foster som en del av en hälsosam graviditet. Dessutom kan resultaten användas för att vägleda reparation och utveckling av syntetiska mänskliga organ för transplantation.

Forskningen utfördes i laboratoriet av Magdalena Zernicka-Goetz, Bren professor i biologi och biologisk teknik vid Caltech. Zernicka-Goetz är också professor i utveckling av däggdjur och stamcellsbiologi vid Cambridges avdelning för fysiologi, utveckling och neurovetenskap. En artikel som beskriver genombrottet dyker upp i tidskriften Nature den 25 augusti.

Embryomodellen utvecklades utan ägg eller spermier. Istället härmade forskarna naturliga processer i labbet genom att vägleda de tre typerna av stamceller som finns i tidig utveckling av däggdjur till den punkt där de börjar interagera. Genom att inducera uttrycket av en viss uppsättning gener och skapa en unik miljö för deras interaktioner kunde forskarna få stamcellerna att "prata" med varandra.

Stamcellerna självorganiserade sig till strukturer som fortskred genom de på varandra följande utvecklingsstadierna tills de syntetiska embryona hade bankande hjärtan och grunden för en hjärna, samt gulesäcken där embryot utvecklas och från vilken det får näring under de första veckorna. Detta är det mest avancerade utvecklingsstadiet som hittills uppnåtts i en stamcellshärledd modell.

Ett stort framsteg i denna studie är förmågan att generera hela hjärnan, i synnerhet den främre regionen, som har varit en "helig gral" i utvecklingen av syntetiska embryon.

"Detta öppnar nya möjligheter att studera mekanismerna för neuroutveckling i en experimentell modell," säger Zernicka-Goetz. "Vi demonstrerar faktiskt beviset för denna princip i tidningen genom att slå ut en gen som redan är känd för att vara nödvändig för bildandet av nervröret, föregångare till nervsystemet och för hjärnans och ögonens utveckling. I frånvaro av denna gen , visar de syntetiska embryona exakt de kända defekterna i hjärnans utveckling som hos ett djur som bär på denna mutation. Detta betyder att vi kan börja tillämpa den här typen av tillvägagångssätt på de många generna med okänd funktion i hjärnans utveckling."

"Vår musembryomodell utvecklar inte bara en hjärna, utan också ett hjärta som slår, alla komponenter som fortsätter att utgöra kroppen", förklarar hon. "Det är helt otroligt att vi har kommit så här långt. Det här har varit drömmen för vårt samhälle i flera år, och huvudfokus för vårt arbete i ett decennium, och äntligen har vi gjort det."

För att ett mänskligt embryo ska utvecklas framgångsrikt måste det finnas en "dialog" mellan de vävnader som kommer att bli embryot och de vävnader som kommer att koppla embryot till modern. Under den första veckan efter befruktningen utvecklas tre typer av stamceller:en kommer så småningom att bli kroppens vävnader och de andra två kommer att stödja embryots utveckling. En av dessa två senare typer, känd som extraembryonala stamceller, kommer att bli moderkakan, som förbinder fostret med modern och ger syre och näringsämnen. Den andra kommer att bli gulesäcken, där embryot växer och från vilket det får näring i tidig utveckling.

Många graviditeter misslyckas vid den tidpunkt då de tre typerna av stamceller börjar skicka mekaniska och kemiska signaler till varandra, som talar om för embryot hur det ska utvecklas på rätt sätt.

"Denna tidiga period är grunden för allt annat som följer under graviditeten," säger Zernicka-Goetz. "Om det blir fel kommer graviditeten att misslyckas."

Under det senaste decenniet har Zernicka-Goetz team studerat dessa tidigaste stadier av graviditeten för att förstå varför vissa graviditeter misslyckas och vissa lyckas.

"Stamcells-embryomodellen är viktig eftersom den ger oss tillgång till den utvecklande strukturen i ett skede som normalt är dolt för oss på grund av implantationen av det lilla embryot i moderns livmoder", säger Zernicka-Goetz. "Denna tillgänglighet tillåter oss att manipulera gener för att förstå deras utvecklingsroller i ett modellexperimentsystem."

För att vägleda utvecklingen av deras syntetiska embryo, satte forskarna ihop odlade stamceller som representerade var och en av de tre typerna av vävnad och lät dem utvecklas i proportioner och en miljö som främjar deras tillväxt och kommunikation med varandra, vilket leder till deras slutliga själv- samlas till ett embryo.

Forskarna fann att de extraembryonala cellerna signalerar till embryonala celler genom kemiska signaler men också mekaniskt, eller genom beröring, som styr embryots utveckling.

"Denna period av mänskligt liv är så mystisk, så att kunna se hur det händer i en maträtt - att ha tillgång till dessa individuella stamceller, att förstå varför så många graviditeter misslyckas och hur vi kan förhindra att det händer – är ganska speciellt, säger Zernicka-Goetz. "Vi tittade på dialogen som måste ske mellan de olika typerna av stamceller vid den tiden - vi har visat hur det uppstår och hur det kan gå fel."

Medan den nuvarande forskningen utfördes i musmodeller, utvecklar forskarna en analog modell för utveckling av mänskliga embryon för att förstå mekanismer bakom avgörande processer som annars skulle vara omöjliga att studera i riktiga embryon.

Om dessa metoder visar sig vara framgångsrika med mänskliga stamceller i framtiden, kan de också användas för att styra utvecklingen av syntetiska organ för patienter som väntar på transplantation. "Det finns så många människor runt om i världen som väntar i åratal på organtransplantationer", säger Zernicka-Goetz. "Det som gör vårt arbete så spännande är att den kunskap som kommer ur det kan användas för att odla korrekta syntetiska mänskliga organ för att rädda liv som för närvarande går förlorade. Det borde också vara möjligt att påverka och läka vuxna organ genom att använda den kunskap vi har om hur de är gjorda."

Uppsatsen har titeln "Stamcellshärledda mössembryon utvecklas i en extraembryonal gulesäck för att bilda främre hjärnregioner och ett bankande hjärta." De första författarna är Gianluca Amadei och Charlotte Handford från University of Cambridge. + Utforska vidare

Forskare bygger embryoliknande strukturer från mänskliga stamceller