Expression des Gens Nkx1-2 in einem Mausembryoid (l); Mausembryo-Diagramm. (Xu et al., Nat Comm, 2021) Die komplexesten Lebensformen, die jemals vollständig in Petrischalen entwickelt wurden, können Blut durch winzige schlagende Herzen pumpen und in einem Labor nach und nach Nerven und Muskeln wachsen lassen.
Diese kleinen Ansammlungen von Säugetierzellen bilden rudimentäre Mäuseembryonen, die von Grund auf neu aufgebaut wurden Stammzellen - Zellen, die das Potenzial haben, sich zu jedem anderen Zelltyp im Körper zu entwickeln.
Während Wissenschaftler erfolgreich waren Erstellen synthetische Organe genannt Organoide Seit einiger Zeit fehlt ihnen die volle Vielfalt an Zelltypen, die im Original zu finden sind. Dieses von Menschen gebaute Mausembryoide ist viel komplizierter.
„Die Entwicklung eines Embryos zu beobachten, ist ein wunderbarer Anblick.“ sagte Entwicklungsbiologin Christine Thisse von der University of Virginia, eine der Autorinnen der Studie.
„Das Erstaunliche ist, dass wir die Vielfalt an Geweben erhalten können, die in einem authentischen Mäuseembryo vorhanden sind.“ [Dieses] Modell zeigt, dass wir in der Lage sind, Zellen dazu zu bringen, komplexe Entwicklungsprogramme in der richtigen Abfolge von Schritten auszuführen.“
Das Embryoid ist keine vollständig ungeborene Maus und kann sich auch nicht vollständig zu einer solchen entwickeln, da wichtige Teile noch fehlen – wie ein riesiger Teil des Gehirns. Doch die Komplexität dieses Experiments bedeutet für die Forscher einen großen Schritt auf dem Weg zum Bau voll funktionsfähiger Organe im Labor.
„Menschliche Organe bestehen aus mehreren Zelltypen, die aus verschiedenen Teilen des wachsenden Embryos stammen.“ sagte Entwicklungsbiologe Bernard Thisse. „Der Darm besteht zum Beispiel aus Zellen, die einen hohlen Schlauch bilden.“ Es wurden Modelle dieser Röhre in einer Schale hergestellt, die als Darmorganoide bezeichnet werden.
„Diese Röhre reicht jedoch nicht aus, um einen funktionierenden Darm zu bilden, da dieses Organ andere Komponenten wie glatte Muskeln, Blutgefäße und Nerven enthält, die die Funktion des Darms steuern und aus Zellen unterschiedlichen Ursprungs bestehen.“
„Die einzige Möglichkeit, über die gesamte Zellvielfalt zu verfügen, die für die Bildung funktionsfähiger Organe erforderlich ist, besteht darin, Systeme zu entwickeln, in denen alle Vorläuferzellen vorhanden sind.“ „Die embryoähnlichen Gebilde, die wir mithilfe von Stammzellen entwickelt haben, bieten genau das.“
Um diese voll funktionsfähigen biologischen Systeme zu entwickeln, müssen viele Dinge genau richtig sein – etwa der richtige Zelltyp, die richtige räumliche Lage und das Timing der Zellsignale, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Die synthetische Nachbildung dieser komplexen Prozesse ist nur dank jahrzehntelanger Forschung in der Entwicklungsbiologie, einschließlich der dieses Teams, möglich frühere Forschungen zu Zebrafischen .
Auf vielen früheren Versuchen wurde aufgebaut. Dazu fehlten Dinge wie ganze Gewebearten , bildete keine Kopfstruktur , Gewebe nicht richtig organisieren oder sich nicht zum sogenannten Embryonalstadium entwickeln Gastrulation .
Viele dieser Probleme betrafen die Notwendigkeit, die chemischen Entwicklungssignale innerhalb des sich bildenden Embryoids räumlich einzuschränken. Thisse und Kollegen haben in ihren Zebrafischexperimenten eine Möglichkeit entwickelt, dies zu erreichen: Sie schufen Zentren für die Signalchemikalien, die den Zellclustern einen Orientierungssinn geben – hinten und vorne, Kopf und Schwanz.
Sie könnten dann den Zeitpunkt, die Größe und die Stärke dieser Signale steuern.
Ihre Arbeit gipfelte nun in diesen auf wundersame Weise funktionierenden Mäuseembryonen mit allen normalen frühen embryonalen Gewebeschichten. Die korrekt organisierten Zellen und Gewebe sind ordnungsgemäß um den embryonalen Vorläufer des Rückenmarks (Notochord) herum angeordnet, einschließlich der Entwicklung des Verdauungs-, Muskel-, Nerven- und Kreislaufsystems sowie eines schlagenden Herzens.
Dem Embryoid fehlen jedoch immer noch Teile des Gehirns, und das Team vermutet, dass dies daran liegen könnte, dass das chemische Signal den Zellen mitteilt, dass sie sich am hinteren Ende befinden (genannt a WNT-Morphogen ) breitete sich zu weit aus.
„Mit den Techniken, die wir entwickelt haben, sollten wir irgendwann in der Lage sein, molekulare Signale zu manipulieren, die die Embryonenbildung steuern, und dies sollte zur Erzeugung embryoähnlicher Einheiten führen, die alle Gewebe und Organe einschließlich des Vorderhirns enthalten.“ sagte Bernard Thisse.
Die Forscher hoffen, lernen zu können, wie man die Embryoidentwicklung vollständig kontrollieren und manipulieren kann, und glauben, dass dies ein wirksames Instrument zur Erforschung von Krankheiten sein könnte.
„Die große Vielfalt an Geweben lässt uns hoffen, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft in der Lage sein wird, Organe mit einer angemessenen Vaskularisierung, Innervation und Interaktion mit anderen Geweben zu bauen“, sagt Christine Thisse sagte .
„Das ist wichtig, um eines Tages funktionsfähige menschliche Ersatzorgane in einer Schale herstellen zu können.“ Dies würde den Mangel an Organen für Transplantationen überwinden.“
Ihre Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .