Nadchodzą sztuczne ludzkie embriony i nikt nie wie, jak sobie z nimi radzić

Dzięki uprzejmości ARYEH WARMFLASH, UNIWERSYTET RYŻOWY Dzięki uprzejmości Aryeh Warmflash, Rice University.

Yue Shao nigdy nie widziała czegoś takiego.

Dwa lata temu Shao, inżynier mechanik ze zamiłowaniem do biologii, pracował z embrionalnymi komórkami macierzystymi, pochodzącymi z ludzkich embrionów, zdolnymi do tworzenia dowolnego typu komórek. Eksperymentując ze sposobami uzyskiwania z komórek bardziej zorganizowanych trójwymiarowych struktur poprzez hodowanie ich w rusztowaniach z miękkiego żelu, szukał oznak prymitywnej tkanki nerwowej.

Jego uwagę przykuło to, że komórki wydawały się zmieniać znacznie szybciej niż oczekiwano — w ciągu kilku dni szybko ułożyły się w koślawy krąg.

Co to było? Shao zaskoczył Googlinga, aby sprawdzić, czy może zidentyfikować strukturę. Wtedy trafił na stronę internetową o nazwie The Wirtualny ludzki zarodek i znalazłem kilka zdjęć mikroskopowych dziesięciodniowych ludzkich embrionów krótko po implantacji, połączonych ze ścianą macicy. Był początek worka owodniowego, a wewnątrz niego dysk embrionalny, czyli przyszłe ciało. Pasowały do ​​tego, co widział.

W tym mikroskopowym filmie, kręconym przez cztery dni, komórki macierzyste organizują się w sposób, który naśladuje ludzki embrion. Dzięki uprzejmości Uniwersytetu Michigan

Shao poinformował swoich współpracowników, mieszany zespół biologów i inżynierów z Uniwersytetu Michigan. Kiedy pokazałem zdjęcie zespołowi, wszyscy powiedzieli: „Wow, musimy wymyślić, co robić”, mówi Shao. Czy w jakiś sposób stworzyli prawdziwy ludzki embrion z komórek macierzystych? W tym momencie zaczęliśmy być bardziej ostrożni.

Zespół szybko ustalił, że struktury przypominające embriony nie są kompletne i nie mogą stać się osobą. Brakuje im typów komórek potrzebnych do wytworzenia łożyska, serca lub mózgu. Mimo to embriony z Michigan są na tyle realistyczne, że laboratorium niszczy je za pomocą kąpieli z detergentem lub formaldehydem, aby upewnić się, że nie będą się dalej rozwijać.

Prace w Michigan są częścią większego boomu w badaniach nad organoidami — naukowcy używają komórek macierzystych do tworzenia skupisk komórek, które coraz bardziej przypominają fragmenty mózgu, płuc lub jelit (patrz 10 Przełomowych technologii: Organoidy mózgu). Teraz niektórzy, tacy jak Shao, odkrywają, że można naśladować sam embrion. Na przykład w tym roku naukowcy z Cambridge w Wielkiej Brytanii zbudowali przekonująca replika sześciodniowego embrionu myszy łącząc dwa rodzaje komórek macierzystych. Ta grupa próbuje teraz zrobić to samo z ludzkimi komórkami, podobnie jak kilka innych, w tym jeden na Uniwersytecie Rockefellera w Nowym Jorku. Naukowcy twierdzą, że pojawia się nowa technologia, którą nazywają embriologią syntetyczną i która, jak sądzą, może pozwolić im po raz pierwszy szczegółowo zbadać fascynujące, otwierające rozdziały ludzkiego rozwoju.

Było to trudne, ponieważ normalne embriony nie rosną dłużej niż około tygodnia w laboratorium. Kolejne kluczowe wydarzenia są w dużej mierze niedostępne dla nauki: mają miejsce w ciemności ludzkiej macicy, zanim większość kobiet wie, że jest w ciąży.

Urządzenie mikroprzepływowe używane na Uniwersytecie Michigan do hodowli organoidów wykonanych z komórek embrionalnych. W każdym z małych niebieskich kanałów może zmieścić się około 10 organoidów. Dzięki uprzejmości Uniwersytetu Michigan

Co więcej, badania nad prawdziwymi ludzkimi embrionami są prześladowane przez politykę aborcyjną, ograniczone przepisami dotyczącymi finansowania i ograniczone do dostaw z klinik in vitro. Teraz, zamiast hodować embrioidy, naukowcy widzą sposób na obejście takich ograniczeń. Już teraz uwalniają pełny zestaw nowoczesnych narzędzi laboratoryjnych — edycji genów, optogenetyki, szybkich mikroskopów — w sposób, który pozwala im powtarzać eksperyment setki razy lub, za pomocą magii genetycznej, zadawać tysiące pytań naraz.

Jeden z wyników osiągniętych już przez zespół z Michigan: dramatyczne zbliżenie na wideo komórek macierzystych samoorganizujących się w struktury naśladujące embriony.

To niesamowite, że [komórki macierzyste] mają taką zdolność, mówi Jianping Fu , profesor Uniwersytetu Michigan, w którego laboratorium Shao był studentem. Mówi, że pojawienie się czegoś o kształcie embrionu i niektórych jego cechach było całkowitym zaskoczeniem; Nadal nie mogę w to uwierzyć. Ale pokazuje, że te komórki pamiętają, co mają zrobić.

Naukowcy z Michigan mają teraz plany produkcji setek embrionów. Można je wykorzystać do badań przesiewowych leków, aby zobaczyć, które powodują wady wrodzone, znaleźć inne, które zwiększają prawdopodobieństwo zajścia w ciążę lub do stworzenia materiału wyjściowego dla narządów wytwarzanych w laboratorium. Ale kłótnie etyczne i polityczne mogą nie być daleko w tyle. To nowa, gorąca granica zarówno w nauce, jak i bioetyce. I wydaje się, że w najbliższych latach pozostanie pod znakiem zapytania, mówi Jonathan Kimmelman, członek wydziału bioetyki na Uniwersytecie McGill w Montrealu i lider międzynarodowej organizacji naukowców zajmujących się komórkami macierzystymi.

Co tak naprawdę rośnie w naczyniu? Nie ma na to łatwej odpowiedzi. W rzeczywistości nikt nie jest nawet pewien, jak nazwać te nowe byty. W marcu zespół z Uniwersytetu Harvarda zaproponował syntetyczne istoty ludzkie o cechach podobnych do embrionów, czyli SHEEFS, w gazecie ostrzegając, że na horyzoncie pojawia się wiele nowych odmian, w tym realistyczne minimózgi.

Shao, który kontynuuje szkolenie w MIT, zagłębił się w kwestię etyki i doszedł do własnych wniosków. Bardzo wcześnie w naszych badaniach zaczęliśmy zwracać uwagę na to, dlaczego to robimy? Czy to naprawdę konieczne? Zdecydowaliśmy, że tak, staramy się wyhodować strukturę podobną do części ludzkiego wczesnego embrionu, którą trudno zbadać w inny sposób, mówi Shao. Ale nie stworzymy kompletnego ludzkiego embrionu. Nie mogę po prostu rozważyć swoich uczuć. Muszę myśleć o społeczeństwie.

Inni naukowcy są jednak zdeterminowani, aby zobaczyć, jak daleko zajdzie nauka, włącznie z wykuciem pierwszego pełnego ludzkiego embrionu z komórek macierzystych. Tak jest w przypadku Ali Brivanlou, embriologa, który prowadzi laboratorium na Uniwersytecie Rockefellera w Nowym Jorku. Moim celem jest maksymalizacja modelowania rozwoju człowieka in vitro, napisał Brivanlou w e-mailu. Dlatego chcemy być jak najdokładniejsi i jak najpełniejsi.

Nabierać kształtu

Embrionalne komórki macierzyste zostały po raz pierwszy wyizolowane z zapasowych, jednodniowych zarodków IVF w 1998 roku przez naukowców z Wisconsin. Na początku, w pierwszych kilku dniach, embrion to niewiele więcej niż masa tych identycznych, czystych komórek. Ich specjalność: tworzenie każdego innego rodzaju komórki w ciele. Mając na uwadze ewentualne terapie medyczne, firmy wykorzystały je do produkcji neuronów i komórek beta, które reagują na insulinę. Pozostawione same w naczyniu spontanicznie zamienią się w mięsień sercowy i zaczną bić.

Naukowcy zaczęli szukać sposobów na nakłonienie komórek macierzystych do tworzenia bardziej skomplikowanych, zorganizowanych tkanek, zwanych organoidami. Te mini-organy nie są prawdziwe. Zamiast tego są znacznie mniejsze — wielkości ziaren piasku — i często mniej wyrafinowane. Ale nadal mogą mieć podstawowe aspekty, powiedzmy, rozgałęziające się drogi oddechowe i faliste rzęski płuc . W zeszłym roku naukowcy wykorzystali organoidy mózgowe, aby pokazać, w jaki sposób wirus Zika może infekować komórki mózgowe.

Do 2014 roku takie wysiłki zaczęły dostarczać dowodów na to, że komórki macierzyste mogą, jeśli otrzymają odpowiednie sygnały, bezpośrednio odtwarzać wczesne wydarzenia w zarodku. Laboratorium Brivanlou wpadło na pomysł łączenia komórek macierzystych w maleńkie kropki na mikrowzorzystej powierzchni. Zawieranie komórek pomogło uzyskać zaskakujący efekt. Opracowali zorganizowaną prymitywną smugę — cechę dwutygodniowego ludzkiego embrionu, gdy komórki tworzą pierwszą wskazówkę planu ciała, decydując, która strona jest lewa, a która prawa.

Te embriony nie były naturalne. Były cienkie, wyrosły jak płaski arkusz, a ich smugi przypominały koła, a nie linie, jak w prawdziwym embrionie. Ale zadziałało lepiej niż myśleliśmy, mówi Aryeh Warmflash, profesor Rice University, który prowadził eksperyment podczas pracy w Rockefeller. Coraz bardziej zdajemy sobie sprawę, że komórki są zaprogramowane do tworzenia embrionów. To właśnie chcą robić. Jeśli komórki są w odpowiednim kształcie, we właściwej gęstości i dasz im odpowiedni sygnał, komórki po prostu przejmą kontrolę i będą ze sobą rozmawiać.

W Michigan Fu mówi, że jego laboratorium, współpracujące z biolog z Michigan, Deborah Gumicio, niemal przypadkowo opracowało własną metodę tworzenia embrionów, jednocześnie badając, czy sygnały mechaniczne, takie jak wzrost komórek w miękkim lub lepkim żelu, mogą zwiększyć ich zdolność do formowania się. niektóre tkanki.

Jeden eksperyment polegał na zachęcaniu komórek jelitowych do tworzenia prześwitu lub pustej torbieli. W ramach eksperymentu kontrolnego w ten sam sposób hodowano również embrionalne komórki macierzyste. To wtedy uderzył zbieg okoliczności, mówi Fu. Komórki macierzyste spolaryzowały się w kule, które przypominały początek jamy owodniowej. [Po] wtedy zobaczyliśmy wszystkie fascynujące cechy samoorganizacji, mówi Fu.

Pytania etyczne

Dalsze testy wykazały, że zarodki stanowiły tylko część zarodka. Chociaż mieli początki worka owodniowego, brakowało im całej linii komórek, zwanej trofoblastem, której rolą jest wytwarzanie łożyska. A wewnątrz kępy komórek, która stanowi właściwy zarodek, naukowcy wykryli tylko jeden z trzech kluczowych typów potrzebnych do zbudowania kompletnego ciała.

Kiedy zespół opublikował swoje odkrycia na początku sierpnia, przeszły one w większości niezauważone. Być może dlatego, że naukowcy starannie dobierali słowa, starając się uniknąć porównań do embrionów. Shao zaczął nawet używać terminu „torbiel asymetryczna”, aby opisać istoty, które tak bardzo zaskoczyły zespół. Musimy być ostrożni, używając terminu syntetyczny ludzki embrion, ponieważ niektórzy ludzie nie są z tego zadowoleni, mówi Fu.

Embroidalny utworzony z komórek macierzystych ma takie same cechy jak prawdziwy ludzki embrion, jak worek owodniowy, ale brakuje mu innych elementów. Dzięki uprzejmości YUE SHAO, UNIWERSYTET W MICHIGAN

Obecnie naukowcy z USA i Wielkiej Brytanii pracujący z naturalnymi ludzkimi embrionami przestrzegają limitu swojej pracy zwanego regułą 14 dni. Żaden ludzki embrion nie jest badany dłużej niż dwa tygodnie lub później, kiedy formuje się prymitywna smuga, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej. Przedtem nikt nie sądził, że ma jakąkolwiek wrażliwość i nie jest w stanie odczuwać bólu, zgodnie z Raportem Warnocka z 1984 roku, który zawierał tę zasadę.

Przez dziesięciolecia ta zasada zapewniała wygodną i wyraźną linię na piasku. Przynajmniej na razie te same ograniczenia dotyczą embrionów. Zgodnie z wytycznymi opublikowanymi w zeszłym roku przez międzynarodowe stowarzyszenie komórek macierzystych Kimmelmana, zespół Fu niszczy komórki zaledwie pięć dni po ich wytworzeniu. Uniemożliwia to strukturom rozwój tego, co bioetycy nazywają cechami budzącymi obawy — takimi jak prymitywny układ nerwowy.

Ale naukowcy są gotowi argumentować, że ich struktury nie są prawdziwymi embrionami i że powinni być w stanie przekroczyć granicę. Niektórzy eksperci wzywają do całkowitego zniesienia tej zasady, twierdząc, że jest przestarzała. John Aach, naukowiec z Harvard Medical School, uważa, że ​​potrzebne będą zupełnie nowe etyczne pałeczki pomiarowe, aby pomóc w prowadzeniu testów organoidów. Na przykład, czy minimózg wyhodowany w laboratorium może w jakiś sposób odczuwać cierpienie? I czy nasza definicja embrionu wytrzyma dowody na to, że laboratoria mogą tworzyć nowe rodzaje, których nigdy wcześniej nie widziano? Wszystkie wielkie postępy naukowe mają sposób na ujawnienie nieprecyzyjności wspólnych koncepcji i zmuszenie ludzi do ponownego ich przemyślenia, mówi Aach.

Jeszcze zanim ukazał się jego artykuł, Shao na tegorocznej konferencji w Bostonie zajmował się ekspertami etyki, w tym Insoo Hyunem, profesorem z Case Western University. Hyun czuł, że młody naukowiec jest na bezpiecznym gruncie, ponieważ jego struktura nie zawiera wszystkich części embrionu. Myślę, że powinni projektować eksperymenty, aby skupić się na konkretnych pytaniach, a nie modelować wszystko, mówi Hyun. Moja propozycja jest taka, po prostu nie rób wszystkiego. Jeden zespół może wykonać silnik, inny koła. Im mniej dwuznaczne moralnie jest to, co robisz, tym większe prawdopodobieństwo, że będziesz mógł prowadzić badania bez przeszkód.

Jest jeszcze jeden powód do ostrożności. Stany Zjednoczone obecnie zabraniają federalnego finansowania jakichkolwiek badań nad embrionami, bez względu na sposób ich wykonania, zgodnie z prawem zwanym poprawką Dickeya-Wickera.

Chociaż wydaje się, że dzisiejsze embrioidy nie są objęte prawnym ograniczeniem, mogą być, jeśli naukowcy uczynią je wystarczająco realistycznymi. W odpowiedzi na pisemne pytania, biuro polityki naukowej National Institutes of Health, agencji finansującej o wartości 33 miliardów dolarów rocznie, twierdzi, że ma wewnętrzny proces, którego używa do analizowania grantów i ustalania, czy proponowane badania stworzyłyby organizm, który spełnia ustawową definicję embrionu ludzkiego.

Naukowcy z Michigan, których projekt wykorzystał fundusze z dwóch grantów NIH, twierdzą, że urzędnicy agencji do tej pory nie zgłosili żadnych zastrzeżeń. Na razie embrioidy żyją i umierają w skrzynkach wykonanych z lucytu i metalu i są karmione pożywką hodowlaną. Z powodu naprawdę ciężkiego komponentu inżynieryjnego tych bytów, myślę, że będziesz mógł argumentować, że to nie są organizmy, mówi Hyun. To jest punkt, który Shao również starał się podkreślić. Kiedy Shao zaprezentował w tym roku prace grupy, do swoich slajdów dodał oświadczenie etyczne przedstawione w jasnożółtym pudełku, mówiąc, że embriony nie mają ludzkiej formy ani potencjału.

Powiązana historia

Powiązana historia

Ale takie definicje mogą być ruchomym celem. Cały sens struktur polega na tym, że rozwijają się w zaskakujący, samokierujący się, wręcz organizmowy sposób. Robert Cork jest szefem projektu Virtual Embryo Project, który przechowuje obrazy, których zespół z Michigan wykorzystał do identyfikacji ich struktur. Kiedy zapytałem go o artykuł Shao, Cork powiedział mi, że embrioidy mogą dalej wytwarzać niektóre brakujące części, jeśli pozwoli się na postęp w eksperymentach. Sugerowałoby to, że jeśli utrzymają żywotność cyst przez dłuższy czas, mogą zacząć rozwijać się w coś bardziej „podobnego do zarodka” – mówi Cork.

Wysoka przepustowość

Jianping Fu jest profesorem inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Michigan. Dzięki uprzejmości Uniwersytetu Michigan

Fu mówi, że następnym krokiem w jego laboratorium w Ann Arbor jest udoskonalenie procedur wytwarzania embrioidów o określonych cechach iw większej liczbie. Początkowo na każde 100 cyst, które wyrosły naukowcy z Michigan, tylko pięć miało asymetryczny kształt przypominający worek owodniowy. Ale już nauczyli się, jak sprawić, by ten kształt pojawiał się za każdym razem. Produkcja embrionów stanie się programowalna i skalowalna, przewiduje Fu.

Na embrioidach można by testować leki, na przykład w celu oznaczenia tych, które mają działanie toksyczne i powodują wady wrodzone. Fu ma nadzieję, że embriologia syntetyczna może w końcu pomóc inżynierom w hodowli kompletnych narządów ludzkich. Nie mówię o ludzkim ciele bez mózgu. Ale prawdziwa możliwość jest taka, że ​​możesz rozwinąć mini jelito lub mini-wątrobę, ponieważ rozwija je również zarodek. A jeśli masz prymitywne narządy, mogą wyrosnąć na sprawne, przewiduje Fu. Laboratorium rozpoczęło hodowlę embrionów na chipie wielkości karty kredytowej. Wytrawiono w nim sześć mikrokanalików, każdy mieszczący 10 jednostek, zawieszonych w hydrożelach i karmionych składnikami odżywczymi przechowywanymi w miniaturowych wiaderkach. Fu nazywa to produkcją wysokoprzepustową.

W ten sposób, jak mówi, wszystko może zostać uruchomione i pod kontrolą.

ukryć