Würden synthetische Embryonen die Ära der künstlichen Organe einläuten?   

Wissenschaftler haben den natürlichen Prozess der embryonalen Entwicklung von Säugetieren bis zur Entwicklung von Gehirn und Herz im Labor nachgebildet. Unter Verwendung von Stammzellen stellten die Forscher außerhalb der Gebärmutter künstliche Mausembryos her, die den natürlichen Entwicklungsprozess im Mutterleib bis zum Tag 8.5 rekapitulierten. Dies ist ein Meilenstein in der Synthetischen Biologie. In Zukunft wird dies Studien an menschlichen synthetischen Embryonen leiten, die wiederum könnte Beginn der Entwicklung und Produktion von Kunststoffen Organe für Patienten, die auf eine Transplantation warten. 

Unter einem Embryo wird üblicherweise ein Zwischenstadium in der Entwicklung eines aufeinanderfolgenden natürlichen Phänomens der Fortpflanzung verstanden, das dadurch ausgelöst wird, dass Spermien auf eine Eizelle treffen, um eine Zygote zu bilden, die sich teilt und zu einer Eizelle wird Embryo, gefolgt von der Entwicklung zu einem Fötus und einem Neugeborenen nach Abschluss der Schwangerschaft.  

Fortschritte in der embryonalen Zelle Nukleare Übertragung sah den Fall, dass der Schritt der Befruchtung einer Eizelle durch das Sperma übersprungen wurde. Im Jahr 1984 wurde ein Embryo aus einer Eizelle geschaffen, deren ursprünglicher haploider Kern entfernt und durch den Kern einer embryonalen Spenderzelle ersetzt wurde, die sich erfolgreich in einer Leihmutter entwickelte und das erste geklonte Schafbaby zur Welt brachte. Mit der Perfektion des somatischen Zellkerntransfers (SCNT) wurde 1996 das Schaf Dolly aus einer reifen erwachsenen Zelle erschaffen. Dies war der erste Fall des Klonens eines Säugetiers aus einer erwachsenen Zelle. Dollys Fall eröffnete auch die Möglichkeit der Entwicklung personalisierter Stammzellen. In beiden Fällen wurde kein Sperma verwendet, sondern es war die Eizelle (mit dem ersetzten Kern), die zum Embryo heranwuchs. Daher waren diese Embryonen noch natürlich.  

Könnten Embryonen geschaffen werden, ohne dass auch nur ein Ei beteiligt ist? In diesem Fall wären solche Embryonen insofern synthetisch, als dass keine Gameten (Geschlechtszellen) verwendet würden. Heutzutage werden solche Embryonen (oder „embryoähnliche“ oder Embryoide) routinemäßig unter Verwendung von embryonalen Stammzellen (ESC) erzeugt und kultiviert in vitro im Labor.  

Unter den Säugetieren benötigen Mäuse einen relativ kurzen Zeitraum (19–21 Tage), um sich fortzupflanzen, was den Mausembryo zu einem geeigneten Studienmodell macht. Von der Gesamtdauer beträgt die Präimplantationsperiode etwa 4–5 Tage, während die restlichen 15 Tage (etwa 75 % der Gesamtdauer) nach der Implantation liegen. Für die Entwicklung nach der Implantation muss der Embryo in die Gebärmutter eingepflanzt werden, was ihn für eine Beobachtung von außen unzugänglich macht. Diese Abhängigkeit vom mütterlichen Uterus stellt ein Untersuchungshindernis dar.    

Das Jahr 2017 war bedeutsam in der Geschichte der Säugetierembryokultur. Die Bemühungen zur Herstellung synthetischer Mausembryos erhielten einen Aufschwung, als die Forscher klar zeigten, dass embryonale Stammzellen die Fähigkeit zur Selbstorganisation und Selbstorganisation besitzen in vitro um embryoähnliche Strukturen entstehen zu lassen, die natürlichen Embryonen in wichtigen Punkten ähneln^1,2. Es ergaben sich jedoch Einschränkungen Gebärmutter- Barrieren. Es ist Routine, Embryonen vor der Implantation zu kultivieren in vitro Es war jedoch keine robuste Plattform für die Ex-utero-Kultur von Mausembryos nach der Implantation (vom Eizylinderstadium bis zur fortgeschrittenen Organogenese) verfügbar. Ein Durchbruch, um dies anzugehen, gelang letztes Jahr im Jahr 2021, als ein Forschungsteam eine Kulturplattform vorstellte, die für die Postimplantationsentwicklung von Mausembryos außerhalb des mütterlichen Uterus wirksam war. Es wurde festgestellt, dass ein auf dieser Plattform ex utero gezüchteter Embryo genau i rekapitulierten Uterus Entwicklung³. Diese Entwicklung überwand Uterusbarrieren und ermöglichte es den Forschern, die Morphogenese nach der Implantation besser zu verstehen, und hat somit dazu beigetragen, dass das Projekt für synthetische Embryonen ein fortgeschrittenes Stadium erreicht hat. 

Jetzt haben zwei Forschungsgruppen berichtet, dass das Wachstum synthetischer Mäuseembryonen 8.5 Tage dauerte, was die bisher längste Zeit ist. Das war lang genug, um deutlich zu werden Organe (wie schlagendes Herz, Darmschlauch, Neuralfalte usw.) entwickelt haben. Dieser jüngste Fortschritt ist wirklich bemerkenswert.  

Wie in Cell am 1. August 2022 berichtet wurde, erzeugte das Forschungsteam synthetische Mausembryos, indem es nur naive embryonale Stammzellen (ESCs) außerhalb des mütterlichen Uterus verwendete. Sie aggregierten die Stammzellen und verarbeiteten sie unter Verwendung der neu entwickelten Kulturplattform für längere Zeit ex-utero Wachstum, um einen synthetischen ganzen Embryo nach der Gastrulation mit sowohl embryonalen als auch extraembryonalen Kompartimenten zu erhalten. Der synthetische Embryo erreichte zufriedenstellend Meilensteine ​​für das 8.5-Tage-Stadium von Mausembryos. Diese Studie hebt die Fähigkeit naiver pluripotenter Zellen hervor, sich selbst zusammenzubauen und zu organisieren und den gesamten Säugetierembryo über die Gastrulation hinaus zu modellieren⁴. 

In der jüngsten Studie, die am 25. August 2022 in Nature veröffentlicht wurde, verwendeten die Forscher auch extraembryonale Stammzellen, um das Entwicklungspotenzial embryonaler Stammzellen (ESC) zu erweitern. Sie stellten synthetische Embryonen in vitro unter Verwendung von Maus-ESCs, TSCs und iXEN-Zellen zusammen, die die natürliche gesamte embryonale Entwicklung der Maus im Uterus bis zum Tag 8.5 rekapitulierten. Dieser synthetische Embryo hatte definierte Vorderhirn- und Mittelhirnregionen, eine schlagende herzähnliche Struktur, einen Stamm, der ein Neuralrohr umfasste, eine Schwanzknospe, die neuromesodermale Vorläufer enthielt, einen Darmschlauch und Urkeimzellen. Das Ganze befand sich in einem extraembryonalen Sack⁵. Daher war die Organogenese in dieser Studie im Vergleich zu der Studie, über die am 1. August 2022 in Cell berichtet wurde, fortgeschrittener und bemerkenswerter. Vielleicht hat die Verwendung von zwei Arten von extraembryonalen Stammzellen das Entwicklungspotenzial embryonaler Stammzellen in dieser Studie verbessert. Interessanterweise wurden in der früheren Studie nur naive embryonale Stammzellen (ESCs) verwendet.  

Diese Errungenschaften sind wirklich bemerkenswert, da dies der bisher am weitesten entfernte Punkt in Studien an synthetischen Säugetierembryonen ist. Die Fähigkeit, ein Säugetiergehirn zu erschaffen, war ein Hauptziel der synthetischen Biologie. Die Nachbildung des natürlichen Prozesses der Embryonalentwicklung nach der Implantation im Labor überwindet die Uterusbarriere und ermöglicht es den Forschern, die frühesten Stadien des Lebens zu untersuchen, die normalerweise in der Gebärmutter verborgen sind.  

Ungeachtet ethischer Fragen werden die Erfolge in Studien an synthetischen Mausembryos in naher Zukunft Studien an menschlichen synthetischen Embryonen leiten, die die Entwicklung und Produktion synthetischer Organe für Patienten einleiten könnten, die auf eine Transplantation warten.  

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References:  

1. Harrison SE et al 2017. Zusammenbau embryonaler und extraembryonaler Stammzellen zur Nachahmung der Embryogenese in vitro. WISSENSCHAFT. 2. März 2017. Band 356, Ausgabe 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Synthetische Embryonen: Fenster in die Säugetierentwicklung. Zelle Stammzelle. Band 20, Ausgabe 5, 4. Mai 2017, Seiten 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Ex-utero-Maus-Embryogenese von der Prägastrulation bis zur späten Organogenese. Natur 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Tarazi S., et al 2022. Synthetische Embryonen nach der Gastrulation, die ex utero aus naiven ESCs der Maus erzeugt wurden. Zelle. Veröffentlicht: 01. August 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Amadei, G., et al 2022. Synthetische Embryonen schließen die Gastrulation bis zur Neurulation und Organogenese ab. Veröffentlicht: 25. August 2022. Natur. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

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