Η εμβρυϊκή ανάπτυξη, γνωστή και ως εμβρυογένεση, είναι ο ακρογωνιαίος λίθος για την κατανόηση της προέλευσης της ζωής. Αλλά η έρευνα σε αυτό το θαύμα των πολύπλοκων και πολυεπίπεδων βιολογικών διεργασιών στους ανθρώπους αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις. Τα ανθρώπινα έμβρυα σε πρώιμο στάδιο είναι δύσκολο να αποκτηθούν. Υπάρχουν επίσης ηθικά ερωτήματα σχετικά με τη χρήση τους. Αυτό έχει καταστήσει δύσκολο για τους επιστήμονες να κατανοήσουν την πρώιμη ανθρώπινη ανάπτυξη.
Ωστόσο, οι πρόοδοι στη γενετική μηχανική και τη μοριακή και κυτταρική βιολογία έχουν επιταχύνει την εμφάνιση της συνθετικής εμβρυολογίας, ενός υποπεδίου αφιερωμένου στην αναπαραγωγή και τη μελέτη της εμβρυϊκής ανάπτυξης σε ένα τρυβλίο Petri χρησιμοποιώντας ανθρώπινα βλαστοκύτταρα. Παρέχοντας νέα εργαλεία για τη μελέτη των αινιγματικών πρώιμων σταδίων της ανθρώπινης ανάπτυξης, η συνθετική εμβρυολογία μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να ξεπεράσουν τις προκλήσεις που σχετίζονται με τη χρήση πραγματικών ανθρώπινων εμβρύων.
Ως βιολόγος αναπαραγωγής και ανάπτυξης, αναπτύσσω μοντέλα βλαστοκυττάρων για εμβρυογένεση. Αυτά τα νέα μοντέλα θα επιτρέψουν επίσης στους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τις συνθήκες που επηρεάζουν την ανθρώπινη αναπαραγωγή και ανάπτυξη, καθώς και την υγεία της μητέρας και του εμβρύου, οδηγώντας ενδεχομένως σε νέες θεραπείες.
Δημιουργία ανθρώπινων εμβρύων από βλαστοκύτταρα
Η εμβρυογένεση ξεκινά με τη γονιμοποίηση ενός ωαρίου. Αυτό αναγκάζει το ωάριο να διαιρείται γρήγορα σε εμβρυϊκά κύτταρα, τα οποία σύντομα σχηματίζουν μια εσωτερική κυτταρική μάζα που τελικά αναπτύσσεται στο έμβρυο και μια εξωτερική κυτταρική στιβάδα που δημιουργεί τον πλακούντα.
Όταν εμφυτεύεται στη μήτρα, η εσωτερική κυτταρική μάζα αναπτύσσεται στα τρία στρώματα από τα οποία προέρχονται όλοι οι ιστοί και τα όργανα του ανθρώπινου σώματος. Ταυτόχρονα, ο πλακούντας αρχίζει να σχηματίζεται καθώς το έμβρυο προσκολλάται στο τοίχωμα της μήτρας, ένα κρίσιμο βήμα στον δεσμό μεταξύ μητέρας και εμβρύου. Αυτή η προσκόλληση επιτρέπει τη μεταφορά θρεπτικών ουσιών, οξυγόνου και άχρηστων υλικών μεταξύ μητέρας και εμβρύου.
Η συνθετική εμβρυολογία αναδημιουργεί τεχνητά αυτά τα αναπτυξιακά στάδια χρησιμοποιώντας ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα που προέρχονται από ανθρώπινα έμβρυα ή προκαλούνται από ενήλικα ανθρώπινα κύτταρα. Όπως τα πρώιμα εμβρυϊκά κύτταρα, αυτά τα κύτταρα έχουν την ικανότητα να εξελιχθούν σε οποιονδήποτε τύπο κυττάρου στο ανθρώπινο σώμα. Σε προσεκτικά σχεδιασμένα εργαστηριακά περιβάλλοντα, οι ερευνητές μπορούν να κατευθύνουν αυτά τα κύτταρα για να σχηματίσουν πολυκυτταρικές δομές που μιμούνται διάφορα εμβρυϊκά αναπτυξιακά στάδια, συμπεριλαμβανομένου του πρώιμου σχηματισμού οργάνων.
Το 2014, οι ερευνητές δημιούργησαν το πρώτο μοντέλο ανθρώπινου εμβρύου από εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα. Αυτό το πρωτοποριακό μοντέλο, που ονομάζεται επίσης γαστρουλοειδής, κατέλαβε βασικές πτυχές της πρώιμης ανθρώπινης ανάπτυξης και έδειξε ότι οι επιστήμονες μπορούν να αποκτήσουν πολυδύναμα βλαστοκύτταρα για να σχηματίσουν στρώματα με σχέδια που μοιάζουν με τις τρεις κοτυληδόνες και τα εξωτερικά στρώματα του εμβρύου.
Τα γαστρουλοειδή είναι εύκολο να αναπαραχθούν και να μετρηθούν κατά τη μελέτη πρώιμων αναπτυξιακών γεγονότων. Αυτά τα 2D γαστρουλοειδή μπορούν επίσης να βοηθήσουν τους ερευνητές να εντοπίσουν και να απεικονίσουν με ακρίβεια τα εμβρυϊκά κύτταρα. Ωστόσο, αυτό το μοντέλο στερείται της πολύπλοκης τρισδιάστατης δομής και των χωρικών κυτταρικών αλληλεπιδράσεων που παρατηρούνται στη φυσική εμβρυογένεση.
Πρόοδοι στα μοντέλα ανθρώπινων εμβρύων
Το πεδίο έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο από την πρώτη γαστρουλοειδή.
Με τα χρόνια, διαφορετικά μοντέλα μπόρεσαν να αναδημιουργήσουν διαφορετικές πτυχές της ανθρώπινης εμβρυογένεσης, όπως: Β. η ανάπτυξη του αμνιακού σάκου, ο σχηματισμός της βλαστικής στιβάδας και η οργάνωση του σχεδίου σώματος. Οι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει μοντέλα πρώιμης ανάπτυξης οργάνων ειδικά για τα όργανα, όπως ένα μοντέλο που καταγράφει βασικά γεγονότα στη νευρική ανάπτυξη και οργανοειδή εμβρυϊκού πνεύμονα που μιμούνται τη διαδικασία σχηματισμού του πνεύμονα.
Ωστόσο, κανένα από αυτά τα μοντέλα δεν αποτυπώνει πλήρως την όλη διαδικασία ανάπτυξης ενός μεμονωμένου κυτταρικού τύπου στην πλήρη δομή ενός ολόκληρου εμβρύου.
Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε το 2021, όταν αρκετές ερευνητικές ομάδες χρησιμοποίησαν επιτυχώς ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα με υψηλότερη αναπτυξιακή δυνατότητα για να δημιουργήσουν βλαστοειδή που μοιάζουν με έμβρυα πρώιμου σταδίου πριν από την εμφύτευση. Τα βλαστοειδή σχηματίζονται με παρόμοιο τρόπο με τα ανθρώπινα έμβρυα, ξεκινώντας από λίγα μόνο κύτταρα που πολλαπλασιάζονται και οργανώνονται.
Η αναπτυξιακή και δομική ομοιότητα των βλαστοειδών με τα έμβρυα τα καθιστά χρήσιμα για τη μελέτη των πρώιμων σταδίων του σχηματισμού εμβρύων, ιδιαίτερα πριν προσκολληθούν στη μήτρα. Τα βλαστοειδή μπορούν να προσκολληθούν σε εργαστηριακά πιάτα και να συνεχίσουν να αναπτύσσονται. Μπορούν επίσης να μιμηθούν την εμφύτευση ενός εμβρύου στη μήτρα ενσωματώνοντας τα μητρικά ενδομήτρια κύτταρα και εξελισσόμενοι σε μεταγενέστερα εμβρυϊκά στάδια μετά την εμφύτευση.
Πρόσφατα, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν πιο πολύπλοκα μοντέλα στο εργαστήριο που μιμούνται αυτό που συμβαίνει μετά την εμφύτευση εμβρύων στη μήτρα. Δύο ερευνητικές ομάδες χρησιμοποίησαν ειδικά κατασκευασμένα κύτταρα για να δημιουργήσουν δομές παρόμοιες με ανθρώπινα έμβρυα περίπου μια εβδομάδα μετά την εμφύτευση. Αυτά τα μοντέλα είναι επίσης σε θέση να σχηματίσουν τα κύτταρα που τελικά μεταμορφώνονται σε σπέρμα και ωάρια στον άνθρωπο, αντικατοπτρίζοντας τις διαδικασίες που συμβαίνουν στη φυσική ανάπτυξη.
Μια άλλη ερευνητική ομάδα μπόρεσε επίσης να δημιουργήσει ένα παρόμοιο μοντέλο από πολυδύναμα βλαστοκύτταρα χωρίς να χρειάζεται να τα τροποποιήσει γενετικά. Αυτό το μοντέλο είναι σε θέση να μιμηθεί μεταγενέστερα στάδια ανάπτυξης και την αρχή του σχηματισμού του νευρικού συστήματος.
Επιλέγοντας τα σωστά μοντέλα
Στον εξελισσόμενο τομέα της συνθετικής εμβρυολογίας, κανένα μοντέλο δεν μπορεί να συλλάβει τέλεια όλες τις πτυχές της εμβρυογένεσης. Ο στόχος λοιπόν δεν είναι να παίξουμε τον Θεό και να δημιουργήσουμε ζωή σε ένα πιάτο Petri, αλλά μάλλον να βελτιώσουμε την αυτοκατανόησή μας. Αυτός ο στόχος υπογραμμίζει τη σημασία της προσεκτικής επιλογής του μοντέλου που ταιριάζει καλύτερα στους συγκεκριμένους ερευνητικούς στόχους.
Για παράδειγμα, η προηγούμενη δουλειά μου είχε επικεντρωθεί σε χρωμοσωμικές ανωμαλίες στην πρώιμη ανθρώπινη ανάπτυξη. Η ανευπλοειδία, ή κύτταρα με μη φυσιολογικό αριθμό χρωμοσωμάτων, είναι η κύρια αιτία απώλειας εγκυμοσύνης. Ωστόσο, η επιστημονική γνώση σχετικά με το πώς αυτά τα ανώμαλα κύτταρα επηρεάζουν την εγκυμοσύνη και την ανάπτυξη του εμβρύου είναι πολύ περιορισμένη.
Επειδή τα γαστρουλοειδή μπορούν να μοντελοποιήσουν αποτελεσματικά αυτές τις πτυχές της πρώιμης ανάπτυξης, αυτό το σύστημα θα μπορούσε να είναι ιδανικό για τη μελέτη της ανευπλοειδίας στην πρώιμη ανάπτυξη. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να παρακολουθούν στενά και να αναλύουν πώς συμπεριφέρονται τα ανευπλοειδή κύτταρα και πώς επηρεάζουν τις αναπτυξιακές διαδικασίες.
Χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο, η ομάδα μου και εγώ βρήκαμε ότι τα κύτταρα με χρωμοσωμικές ανωμαλίες είναι πιο πιθανό να ωριμάσουν σε κύτταρα πλακούντα και είναι πιθανό να εξαλειφθούν κατά την ανάπτυξη των εμβρυϊκών κυττάρων. Αυτό το εύρημα παρέχει σημαντική εικόνα για το γιατί τα μωρά με φυσιολογικό αριθμό χρωμοσωμάτων μπορούν να γεννηθούν υγιή παρά την ανευπλοειδία που ανιχνεύθηκε κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης. Τέτοιες ανακαλύψεις είναι πολύτιμες για τη βελτίωση των διαγνωστικών και προγνωστικών μεθόδων στην προγεννητική φροντίδα.
Μελλοντικά μοντέλα που αντιγράφουν πληρέστερα τις εμβρυϊκές δομές και αντανακλούν καλύτερα τα βιολογικά γεγονότα όχι μόνο θα βελτιώσουν την κατανόηση της βάσης της πρώιμης ανάπτυξης αλλά θα έχουν επίσης μεγάλες δυνατότητες για την επίλυση κλινικών προβλημάτων. Οι ερευνητές μπορούν να τα χρησιμοποιήσουν για να μοντελοποιήσουν ασθένειες και να αναπτύξουν φάρμακα για την πρώιμη ζωή ή γενετικές ασθένειες. Αυτά τα μοντέλα είναι επίσης ανεκτίμητα για τη μελέτη του σχηματισμού ιστών στην αναγεννητική ιατρική. Η δημιουργία μοντέλων εμβρύων από τα κύτταρα του ίδιου του ασθενούς θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει στους ερευνητές να μελετήσουν τη γενετική της ανάπτυξης και να βοηθήσουν στην εξατομίκευση των θεραπειών.
Το κλειδί για την πρόοδο στον τομέα της συνθετικής εμβρυολογίας είναι η αταλάντευτη τήρηση των ηθικών προτύπων και κανονισμών. Αυτό που είναι κρίσιμο είναι ότι αυτά τα μοντέλα εμβρύων δεν είναι ούτε συνθετικά ούτε πραγματικά έμβρυα. Η Διεθνής Εταιρεία για την Έρευνα Βλαστοκυττάρων απαγορεύει αυστηρά τη μεταφορά αυτών των μοντέλων εμβρύων στη μήτρα ενός ανθρώπου ή ενός ζώου. Αν και αυτά τα μοντέλα μιμούνται ορισμένα χαρακτηριστικά των πρώιμων σταδίων ανάπτυξης, δεν μπορούν και δεν θα εξελιχθούν σε ανθρώπινο μωρό μετά τη γέννηση. Εάν η έρευνα βασίζεται σε ορθό συλλογισμό και επίβλεψη, θα βοηθήσει να διασφαλιστεί ότι η επιστημονική μελέτη της δομής της ζωής διεξάγεται με τον μεγαλύτερο σεβασμό και υπευθυνότητα.
Αξιοποιώντας την πολυπλοκότητα και τις δυνατότητες της συνθετικής εμβρυολογίας, οι ερευνητές βρίσκονται στο χείλος μιας νέας εποχής βιολογικής κατανόησης και είναι έτοιμοι να ξεκλειδώσουν τα μυστήρια της ίδιας της ζωής.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Γράφτηκε από τον: Min Yang, Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Min (Mia) Yang λαμβάνει χρηματοδότηση από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον