Ще доведат ли синтетичните ембриони до ерата на изкуствените органи?   

Учените са повторили естествения процес на ембрионално развитие на бозайници в лабораторията до момента на развитие на мозъка и сърцето. Използвайки стволови клетки, изследователите създадоха синтетични миши ембриони извън матката, които рекапитулираха естествения процес на развитие в утробата до ден 8.5. Това е крайъгълен камък в синтетичната биология. В бъдеще това ще ръководи проучвания върху човешки синтетични ембриони, които от своя страна бих могъл usher in development and production of synthetic органи for patients awaiting transplants. 

Ембрионът обикновено се разбира като междинен етап на развитие в последователно естествено явление на възпроизвеждане, инициирано от среща на спермата с яйцеклетка, за да образува зигота, която се разделя, за да стане зародиш, последвано впоследствие от развитие в плод и новородено след завършване на бременността.  

Напредък в ембрионалните клетки ядрен трансфер видях случая на пропускане на етапа на оплождане на яйцеклетка от спермата. През 1984 г. е създаден ембрион от яйцеклетка, в която първоначалното хаплоидно ядро ​​е отстранено и заменено с ядрото на донорна ембрионална клетка, която успешно е преминала през развитие в сурогат, за да роди първото клонирано бебе овца. Със съвършенството на ядрен трансфер на соматични клетки (SCNT), овцата Доли е създадена през 1996 г. от зряла възрастна клетка. Това беше първият случай на клониране на бозайник от възрастна клетка. Случаят на Доли също отвори възможността за разработване на персонализирани стволови клетки. И в двата случая не е използвана сперматозоида, но яйцеклетката (с замененото ядро) е израснала, за да стане ембрион. Така че, като такива, тези ембриони все още са били естествени.  

Могат ли ембриони да бъдат създадени без участието дори на яйцеклетка? Ако е така, такива ембриони биха били синтетични до степен, в която няма да се използват гамети (полови клетки). В наши дни такива ембриони (или „ембриоподобни“ или ембриоиди) се създават рутинно с помощта на ембрионални стволови клетки (ESC) и се култивират витро в лабораторията.  

Сред бозайниците мишките отнемат сравнително кратък период (19-21 дни), за да се размножават, което прави ембриона на мишката удобен модел за изследване. От общия период преди имплантацията е около 4-5 дни, докато останалите 15 дни (около 75% от общия) са след имплантацията. За развитие след имплантиране ембрионът трябва да се имплантира в матката, което го прави недостъпен за външно наблюдение. Тази зависимост от майчината матка налага бариера при изследването.    

2017 година беше знаменателна в историята на културата на ембриони на бозайници. Усилията за създаване на синтетични ембриони на мишки получиха обрат, когато изследователите ясно демонстрираха, че ембрионалните стволови клетки имат способността да се самосглобяват и самоорганизират витро за да се появят ембриоподобни структури, които наподобяват естествените ембриони по важни начини^1,2. Имаше обаче ограничения, произтичащи от маточна бариери. Култивирането на ембриони преди имплантиране е рутинно витро но никаква стабилна платформа за ex-utero култура на постимплантационен миши ембрион (от етапи на яйчен цилиндър до напреднала органогенеза) не беше налична. Пробивът за справяне с това дойде миналата година през 2021 г., когато изследователски екип представи културна платформа, която е ефективна за постимплантационното развитие на миши ембриони извън майчината матка. Установено е, че ембрион, отгледан на тази платформа ex utero, прецизно рекапитулира in utero development³. Това развитие преодоля маточните бариери и позволи на изследователите да разберат по-добре морфогенезата след имплантиране и по този начин помогна на проекта за синтетичен ембрион да достигне напреднал етап. 

Сега две изследователски групи съобщават за отглеждане на синтетичен миши ембрион за 8.5 дни, което е най-дългото досега. Това беше достатъчно дълго за разграничаване органи (като биещо сърце, чревна тръба, неврална гънка и т.н.) да са се развили. Този последен напредък е наистина забележителен.  

Както беше съобщено в Cell на 1 август 2022 г., изследователският екип генерира миши синтетични ембриони, използвайки само наивни ембрионални стволови клетки (ESC) извън майчината матка. Те коагрегират стволовите клетки и ги обработват с помощта на наскоро разработената културална платформа за продължително време ex-utero растеж, за да се получи пост-гаструлационен синтетичен цял ембрион с ембрионални и екстраембрионални отделения. Синтетичният ембрион постигна задоволително важни етапи за 8.5-дневен стадий на миши ембриони. Това изследване подчертава способността на наивните плурипотентни клетки да се самосглобяват и самоорганизират и моделират целия ембрион на бозайник отвъд гаструлацията⁴. 

В най-новото проучване, публикувано в Nature на 25 август 2022 г., изследователите са използвали и екстраембрионални стволови клетки, за да разширят потенциала за развитие на ембрионалните стволови клетки (ESC). Те събраха синтетични ембриони in vitro, използвайки миши ESCs, TSCs и iXEN клетки, които направиха рекапитулация на естественото цялостно ембрионално развитие на мишка в матката до ден 8.5. Този синтетичен ембрион е имал дефинирани области на предния и средния мозък, структура, подобна на биещо сърце, ствол, включващ нервна тръба, пъпка на опашка, съдържаща невромезодермални предшественици, чревна тръба и първични зародишни клетки. Цялото нещо беше в екстраембрионален сак⁵. По този начин в това проучване органогенезата е по-напреднала и забележителна в сравнение с проучването, докладвано в Cell на 1 август 2022 г. Може би използването на два вида екстра-ембрионални стволови клетки е повишило потенциала за развитие на ембрионалните стволови клетки в това изследване. Интересното е, че в по-ранното проучване са използвани само наивни ембрионални стволови клетки (ESCs).  

Тези постижения са наистина забележителни, тъй като това е най-отдалечената точка досега в проучвания върху синтетични ембриони на бозайници. Способността да се създаде мозък на бозайник е основна цел на синтетичната биология. Пресъздаването на естествения процес на постимплантационно ембрионално развитие в лабораторията преодолява маточната бариера и дава възможност на изследователите да изучават най-ранните етапи от живота, който обикновено е скрит в матката.  

Независимо от етичните въпроси, постиженията в проучванията върху синтетичен ембрион на мишка ще ръководят проучванията върху човешки синтетични ембриони в близко бъдеще, което би могло да постави началото на разработването и производството на синтетични органи за пациенти, чакащи трансплантации.  

*** 

Литература:  

1. Харисън SE и др 2017. Сглобяване на ембрионални и екстраембрионални стволови клетки за имитиране на ембриогенезата in vitro. НАУКА. 2 март 2017 г. Том 356, брой 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Синтетични ембриони: Прозорци в развитието на бозайниците. Клетъчна стволова клетка. Том 20, брой 5, 4 май 2017 г., страници 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Агилера-Кастрейон, А., и др. 2021. Ex utero ембриогенеза на мишка от пре-гаструлация до късна органогенеза. Природа 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Тарази С., и др 2022. Синтетични ембриони след гаструлация, генерирани ex utero от миши наивни ESC. клетка. Публикувано: 01 август 2022 г. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Амадей, Г., и др 2022. Синтетичните ембриони завършват гаструлацията до неврулацията и органогенезата. Публикувано: 25 август 2022 г. Природа. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

***