Naukowcy zajmujący się materiałami z UNSW Sydney wykazali, że ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste w laboratorium mogą zainicjować proces przypominający fazę gastrulacji - w której komórki zaczynają różnicować się w nowe typy komórek - znacznie wcześniej niż ma to miejsce w naturze.

W przypadku zarodka rozwijającego się w macicy gastrulacja występuje w 14 dniu. Ale w naczyniu w laboratorium w kampusie UNSW w Kensington profesor nadzwyczajny Scientia Kris Kilian nadzorował eksperyment, w którym zdarzenie podobne do gastrulacji zostało wywołane w ciągu dwóch dni od wyhodowania ludzkich komórek macierzystych w unikalny biomateriał, który jak się okazało stwarza warunki do naśladowania tego etapu rozwoju zarodka. „Gastrulacja to kluczowy krok, który prowadzi do planu ludzkiego ciała” – mówi prof. Kilian. „Jest to początek procesu, w którym prosty arkusz komórek przekształca się, tworząc wszystkie tkanki ciała – nerwy, tkankę sercowo-naczyniową i krwionośną oraz tkankę strukturalną, taką jak mięśnie i kości. Ale tak naprawdę nie byliśmy w stanie badać tego procesu u ludzi, ponieważ nie można tego badać w laboratorium bez pobierania rozwijającej się tkanki embrionalnej”. „To naprawdę ekscytujące, że mogliśmy zobaczyć, jak to się dzieje in vitro”. Osiągnięcie, które zostało dziś opisane w czasopiśmie Advanced Science, ma nie tylko implikacje dla naszego zrozumienia rozwoju embrionalnego człowieka, ale także nowe metody leczenia w medycynie, w tym terapię komórkową, opracowywanie leków celowanych i technologie edycji genów CRISPR.

Najważniejszy czas w Twoim życiu

Biolog rozwojowy Lewis Wolpert powiedział kiedyś: „To nie narodziny, małżeństwo czy śmierć, ale gastrulacja jest naprawdę najważniejszym momentem w twoim życiu”. Gastrulacja jest kluczowym wydarzeniem w rozwoju zarodka, gdy masa niezróżnicowanych komórek rozpoczyna pierwsze etapy długiej podróży w łonie matki w kierunku ukształtowania się człowieka. Jest to jeden z powodów, dla których praca na zarodkach pozostałych po zapłodnieniu in vitro jest zabroniona po upływie 14 dni, kiedy następuje gastrulacja. Prof. Kilian mówi, że do tej pory trudno było badać ten proces u ludzi ze względu na oczywiste ograniczenia etyczne. "Kontrolowanie gastrulacji za pomocą samych materiałów zapewni zupełnie nowy sposób badania rozwoju człowieka" - mówi. „Obecnie nie możemy tego zrobić, ponieważ badania nad embrionami trwające dłużej niż 14 dni są często postrzegane jako nieetyczne, a obecnie jest to niemożliwe in vivo, ponieważ konieczna byłaby obserwacja zarodka u ciężarnej ludzkiej matki”. Ale chociaż istnieją modele zwierzęce do zbadania – takie jak myszy i danio pręgowany – a inni badacze wywołali w laboratorium zdarzenia podobne do gastrulacji przy użyciu substancji chemicznych, w tym czynników wzrostu, jest to pierwszy przypadek, kiedy same warunki hodowli zainicjowały gastrację poza ciałem człowieka.

„Nasza metoda może doprowadzić do nowego podejścia do naśladowania ludzkiej embriogenezy poza osobą” – mówi prof Kilian. Miniaturowe narządy i składanie genów CRISPR W naukach medycznych, zdolność do indukowania gastrulacji w „syntetycznych” embrionach, takich jak te stworzone przez zespół UNSW, mogą również pomóc w tworzeniu tkanki ciała, a nawet miniaturowych organów na podstawie własnego kodu genetycznego pacjenta. Te tak zwane "organoidy", które są ledwo widoczne gołym okiem, są już opracowywane przy użyciu komórek macierzystych do badań medycznych, takich jak testowanie skuteczności niektórych leków. Proces ten wymaga jednak środków chemicznych stymulujących komórki do tworzenia zróżnicowanej tkanki narządów, co jest czasochłonne i kosztowne. Prof. Kilian mówi, że kontrolowanie gastrulacji przy użyciu wyłącznie materiałów hydrożelowych do stymulacji tego, co dzieje się naturalnie, może być szybszym i bardziej opłacalnym rozwiązaniem. „To, co nas w tym naprawdę ekscytuje, to możliwość znacznie szybszego i bardziej powtarzalnego wykorzystania terapeutycznie komórek” – mówi prof. Kilian. „Nasza metoda może zapewnić sposób na zainicjowanie„ organogenezy ”- z szeregiem setek dobrze zdefiniowanych agregatów komórek w jednym dołku – prowadząc do szybszych i lepiej zdefiniowanych struktur, które można następnie przekształcić w mózg, wątrobę, jelito lub potencjalnie jakąkolwiek tkankę narządu stałego. „To podejście może również zrewolucjonizować opracowywanie leków, w tym podejścia RNA i CRISPR/Cas9, zapewniając bardziej powtarzalny sposób naśladowania ludzkiej tkanki w laboratorium. Na przykład można zrobić organoid z komórek pacjenta, a następnie przetestować terapie mające na celu skorygowanie mutacji lub przywracanie funkcji”.

Hydrożelowy dom jest w sam raz

Sekretem sukcesu pracy zespołu UNSW w laboratorium jest struktura kultury, do której wysiano komórki macierzyste. Wykorzystując technikę zaadaptowaną z przemysłu półprzewodnikowego, na hydrożelu wytwarzane są określone obszary, do których komórki mają przylegać. Ta kombinacja geometrycznego zamknięcia i miękkiego żelu, który naśladuje powierzchnię ludzkiej macicy, skłania komórki do rozpoczęcia procesów podobnych do gastrulacji. „Odkryliśmy, że jeśli weźmiemy pluripotencjalne komórki macierzyste i umieścimy je w bardzo ograniczonym i miękkim środowisku, będzie to podobne do tego, czego mogą doświadczać komórki w macicy matki” – mówi prof. Kilian.

„Ten lepkosprężysty, miękki, gąbczasty materiał daje im wystarczająco dużo wskazówek, aby sami zainicjowali ten proces przypominający gastrulację”. Kontrastuje to znacznie ze standardową praktyką stosowaną ostatnio w laboratoriach, która wymusza rodzaj procesu gastrulacji przy użyciu czynników wzrostu i suplementów chemicznych na twardych plastikowych lub szklanych naczyniach. „Nic dziwnego, że poprzednie badania polegające na hodowaniu komórek macierzystych na szkle lub plastiku nie zdołały podsumować sygnałów zachodzących w ciele. Ale używając naszych miękkich substratów naśladujących tkankę embrionalną, możemy nakłonić komórki do przestrzennego zorganizowania się i rozpoczęcia wczesnej morfogenezy, która może ostatecznie stworzyć osoba." Ale prof. Kilian ostrzega, że chociaż zespół odkrył warunki, które naśladują pierwszy etap gastrulacji, wydaje się, że nie idzie dalej. „Nie możemy stworzyć człowieka w ten sposób” – mówi. „Ta metoda pokazuje tylko wczesny, ale bardzo ważny etap rozwoju. Wpływ polega na możliwości badania tego niezwykle ważnego etapu rozwoju człowieka i wykorzystania wygenerowanych struktur do opracowywania terapii”.

Przypadek może być dużą częścią odkrycia

Podobnie jak w przypadku większości wielkich odkryć naukowych, przypadek odegrał pewną rolę. Zespół nie starał się aktywnie wywołać gastrulacji, kiedy upuścił kilka komórek macierzystych na podłoże hydrożelowe. Główna autorka, dr Pallavi Srivastava, była zaskoczona tym, co zaobserwowała. „Początkowo próbowałam zmusić komórki macierzyste do przyczepienia się do naszych hydrożeli i planowałam różnicowanie ich w konwencjonalny sposób” – mówi. „Różnica między komórkami hodowanymi na szkle a tymi na naszych żelach była bardzo uderzająca. Pamiętam, że pomyślałem:„ Wow, coś tu się dzieje. Muszę to zbadać ”. Doprowadziło to do dużej zmiany w moim projekcie i ostatecznie do tego ekscytującego odkrycia." Naukowcy mają nadzieję, że będą mogli kontynuować badanie korzyści płynących z ich odkrycia poprzez zrozumienie, w jaki sposób materiały mogą kierować embriogenezą i nie tylko. Prof. Kilian mówi, że chociaż to odkrycie jest ekscytujące, potrzeba więcej pracy, aby pokierować procesami podobnymi do gastrulacji w celu utworzenia użytecznych tkanek. „To naprawdę pierwszy krok do tego, co mamy nadzieję, będzie platformą technologiczną do tworzenia użytecznych modeli tkanek. Wyzwalanie gastrulacji nie wystarczy – teraz musimy dostarczyć inne sygnały, aby utrzymać różnicowanie”. Odkrycie kolejnego zestawu sygnałów materiałowych może pozwolić na stworzenie praktycznie dowolnej tkanki stałej do celów badawczych oraz do generowania użytecznych typów komórek dla medycyny regeneracyjnej. „Biorąc pod uwagę, że pluripotencjalne komórki macierzyste można teraz wytwarzać z próbek krwi lub tkanek, przyszłość jest szeroko otwarta dla regeneracji tkanek i narządów z własnych komórek pacjenta”.

Źródło: sciencedaily.com