Vai sintētiskie embriji ievadīs mākslīgo orgānu laikmetu?   

Zinātnieki ir atkārtojuši dabisko zīdītāju embriju attīstības procesu laboratorijā līdz pat smadzeņu un sirds attīstībai. Izmantojot cilmes šūnas, pētnieki ārpus dzemdes izveidoja sintētiskos peļu embrijus, kas apkopoja dabisko attīstības procesu dzemdē līdz 8.5. dienai. Šis ir pagrieziena punkts sintētiskajā bioloģijā. Nākotnē tas vadīs pētījumus par cilvēka sintētiskajiem embrijiem, kas savukārt varētu usher in development and production of synthetic orgāni for patients awaiting transplants. 

Ar embriju parasti saprot starpposma attīstības stadiju secīgā dabiskajā vairošanās parādībā, ko ierosina sperma, satiekoties ar olšūnu, veidojot zigotu, kas sadalās, kļūstot par embrijs, kam seko attīstība par augli un jaundzimušo pēc grūtniecības beigām.  

Embrionālo šūnu sasniegumi kodolenerģijas pārnešana redzēja gadījumu, kad tika izlaists olšūnas apaugļošanas posms ar spermu. 1984. gadā no olšūnas tika izveidots embrijs, kurā tika izņemts tās sākotnējais haploīdais kodols un aizstāts ar donora embrija šūnas kodolu, kas veiksmīgi tika izstrādāts surogātā, lai dzemdētu pirmo klonēto aitu mazuli. Ar somatisko šūnu kodolpārneses (SCNT) pilnību aita Dollija tika izveidota 1996. gadā no nobriedušas pieaugušas šūnas. Šis bija pirmais gadījums, kad zīdītājs tika klonēts no pieaugušas šūnas. Dollijas gadījums pavēra arī iespēju attīstīt personalizētas cilmes šūnas. Abos gadījumos sperma netika izmantota, taču tā bija olšūna (ar nomainīto kodolu), kas kļuva par embriju. Tātad šie embriji joprojām bija dabiski.  

Vai embrijus var izveidot, neiesaistot pat olšūnu? Ja tā, tad šādi embriji būtu sintētiski tādā mērā, ka netiktu izmantotas gametas (dzimuma šūnas). Mūsdienās šādi embriji (vai “embrijiem līdzīgie” vai embrioīdi) tiek regulāri izveidoti, izmantojot embrionālās cilmes šūnas (ESC) un kultivēti. in vitro laboratorijā.  

Zīdītāju vidū pelēm ir nepieciešams salīdzinoši īss periods (19–21 diena), lai pēcnācēju, kas padara peles embriju par ērtu pētījuma modeli. No kopējā perioda pirms implantācijas ir aptuveni 4-5 dienas, bet pārējās 15 dienas (apmēram 75% no kopējā skaita) ir pēc implantācijas. Pēcimplantācijas attīstībai embrijs ir jāiestāda dzemdē, kas padara to nepieejamu ārējai novērošanai. Šī atkarība no mātes dzemdes rada šķēršļus izmeklēšanā.    

2017. gads bija zīmīgs zīdītāju embriju kultūras vēsturē. Centieni radīt sintētiskos peļu embrijus guva panākumus, kad pētnieki skaidri pierādīja, ka embriju cilmes šūnām ir spēja paškomplektēties un pašorganizēties. in vitro radīt embrijiem līdzīgas struktūras, kas būtiskā veidā atgādināja dabiskos embrijus^1,2. Tomēr bija ierobežojumi, kas izrietēja no dzemde barjeras. Ir ierasts kultivēt embriju pirms implantācijas in vitro taču nebija pieejama neviena stabila platforma peļu embrija ex-utero kultūrai pēc implantācijas (no olu cilindra stadijām līdz progresīvai organoģenēzei). Izrāviens šīs problēmas risināšanā notika pagājušajā gadā 2021. gadā, kad pētnieku grupa prezentēja kultūras platformu, kas bija efektīva peles embriju attīstībai pēc implantācijas ārpus mātes dzemdes. Tika konstatēts, ka embrijs, kas audzēts uz šīs platformas ex utero, precīzi apkopo in dzemdē attīstība³. Šī attīstība pārvarēja dzemdes šķēršļus un ļāva pētniekiem labāk izprast pēcimplantācijas morfoģenēzi un tādējādi ir palīdzējusi sintētisko embriju projektam nonākt progresīvā stadijā. 

Tagad divas pētniecības grupas ir ziņojušas par sintētisko peles embriju audzēšanu 8.5 dienas, kas ir līdz šim visilgāk. Tas bija pietiekami ilgs laiks, lai atšķirtos orgāni (piemēram, pukstoša sirds, zarnu caurule, nervu kroka utt.). Šis jaunākais progress ir patiešām ievērojams.  

Kā ziņots Cell 1. gada 2022. augustā, pētnieku grupa radīja peļu sintētiskos embrijus, izmantojot tikai naivas embrionālās cilmes šūnas (ESC) ārpus mātes dzemdes. Viņi kopīgi agregēja cilmes šūnas un ilgstoši apstrādāja tās, izmantojot nesen izstrādāto kultūras platformu bijusī dzemde augšana, lai iegūtu pēcgastrulācijas sintētisko veselu embriju ar gan embrija, gan ārpusembrionālo nodalījumu. Sintētiskais embrijs apmierinoši sasniedza pagrieziena punktus 8.5 dienu peļu embriju stadijā. Šis pētījums izceļ naivu pluripotentu šūnu spēju paškomplektēties un pašorganizēties un modelēt visu zīdītāju embriju ārpus gastrulācijas⁴. 

Jaunākajā pētījumā, kas publicēts žurnālā Nature 25. gada 2022. augustā, pētnieki izmantoja arī ārpusembrionālās cilmes šūnas, lai paplašinātu embriju cilmes šūnu (ESC) attīstības potenciālu. Viņi montēja sintētiskos embrijus in vitro, izmantojot peles ESC, TSC un iXEN šūnas, kas apkopoja peles dabisko veselo embriju attīstību dzemdē līdz 8.5 dienai. Šim sintētiskajam embrijam bija definēti priekšējās un vidussmadzeņu reģioni, pukstoša sirdij līdzīga struktūra, stumbrs, kurā bija nervu caurule, astes pumpurs, kurā bija neiromezodermālie priekšteči, zarnu caurule un pirmatnējās dzimumšūnas. Visa lieta atradās ārpusembrionālajā maisiņā⁵. Tādējādi šajā pētījumā organoģenēze bija progresīvāka un ievērojamāka salīdzinājumā ar pētījumu, par kuru tika ziņots Cell 1. gada 2022. augustā. Iespējams, divu veidu ārpusembrionālo cilmes šūnu izmantošana uzlaboja embriju cilmes šūnu attīstības potenciālu šajā pētījumā. Interesanti, ka iepriekšējā pētījumā tika izmantotas tikai naivas embrionālās cilmes šūnas (ESC).  

Šie sasniegumi ir patiesi ievērojami, jo tas ir līdz šim tālākais punkts pētījumos par sintētisko zīdītāju embrijiem. Spēja radīt zīdītāju smadzenes ir bijis galvenais sintētiskās bioloģijas mērķis. Atjaunojot dabisko pēcimplantācijas embriju attīstības procesu laboratorijā, tiek pārvarēta dzemdes barjera un pētniekiem ir iespēja izpētīt agrākos dzīves posmus, kas parasti ir paslēpti dzemdē.  

Neraugoties uz ētikas problēmām, peļu sintētisko embriju pētījumos gūtie sasniegumi tuvākajā nākotnē vadīs pētījumus par cilvēka sintētiskajiem embrijiem, kas varētu veicināt sintētisko orgānu izstrādi un ražošanu pacientiem, kuri gaida transplantāciju.  

*** 

Norādes:  

1. Harisons SE un citi 2017. Embrionālo un ārpusembrionālo cilmes šūnu montāža, lai imitētu embrioģenēzi in vitro. ZINĀTNE. 2. gada 2017. marts. 356. sēj., 6334. izdevums. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Sintētiskie embriji: Windows uz zīdītāju attīstību. Šūnu cilmes šūna. 20. sējums, 5. izdevums, 4. gada 2017. maijs, 581.–582. lpp. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Agilera-Kastrežona, A., un citi. 2021. Ex utero peles embrioģenēze no pirmsgastrulācijas līdz vēlai organoģenēzei. Daba 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Tarazi S., et el 2022. Pēcgastrulācijas sintētiskie embriji, kas radīti ex utero no peļu naivajiem ESC. Šūna. Publicēts: 01. gada 2022. augustā. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Amadejs, G., un citi 2022. Sintētiskie embriji pabeidz gastrulāciju līdz neirulācijai un organoģenēzei. Publicēts: 25. gada 2022. augustā. Daba. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

***