Kas sünteetilised embrüod siseneksid tehisorganite ajastusse?   

Teadlased on laboris replitseerinud imetajate embrüonaalse arengu loomulikku protsessi kuni aju ja südame arenguni. Tüvirakkude abil lõid teadlased väljaspool emakat sünteetilisi hiireembrüoid, mis võtsid kokku emaka loomuliku arenguprotsessi kuni päevani 8.5. See on sünteetilise bioloogia verstapost. Tulevikus juhib see inimese sünteetiliste embrüote uuringuid, mis omakorda võiks sünteetiliste materjalide arendamise ja tootmise juhataja organite siirdamist ootavatele patsientidele. 

Embrüo all mõeldakse tavaliselt järjestikuse loomuliku paljunemisnähtuse vahepealset arengustaadiumit, mille algatab spermatosoidide kohtumine munarakuga, moodustades sügoodi, mis jaguneb ja muutub embrüo, millele järgneb areng looteks ja vastsündinuks pärast tiinuse lõppemist.  

Edusammud embrüorakkudes tuumaülekanne nägi näidet munaraku sperma poolt viljastamise etapi vahelejätmisest. 1984. aastal loodi munarakust embrüo, mille algne haploidne tuum eemaldati ja asendati doonorembrüonaalse raku tuumaga, mis arenes edukalt surrogaadis, et sünnitada esimene kloonitud lambapoeg. Somatic Cell Nuclear Transfer (SCNT) täiuslikkuse abil loodi lammas Dolly 1996. aastal täiskasvanud täiskasvanud rakust. See oli esimene imetaja kloonimise juhtum täiskasvanud rakust. Dolly juhtum avas ka võimaluse personaliseeritud tüvirakkude arendamiseks. Mõlemal juhul spermat ei kasutatud, kuid see oli munarakk (koos asendatud tuumaga), mis kasvas embrüoks. Seega olid need embrüod ikkagi loomulikud.  

Kas embrüoid saab luua isegi munaraku kaasamata? Kui jah, siis oleksid sellised embrüod sünteetilised sel määral, et sugurakke (sugurakke) ei kasutataks. Tänapäeval luuakse selliseid embrüoid (või "embrüotaolisi" või embrüoide) rutiinselt embrüonaalsete tüvirakkude (ESC) abil ja kultiveeritakse. vitro laboris.  

Imetajate hulgas kulub hiirtel paljunemiseks suhteliselt lühike periood (19–21 päeva), mis muudab hiire embrüo mugavaks uuringumudeliks. Kogu implantatsioonieelne periood on umbes 4-5 päeva, ülejäänud 15 päeva (umbes 75% koguarvust) on implantatsioonijärgne. Implantatsioonijärgseks arenguks peab embrüo implanteerima emakasse, mis muudab selle välise vaatluse jaoks kättesaamatuks. See sõltuvus ema emakast seab uurimisele takistuse.    

2017. aasta oli imetajate embrüokultuuri ajaloos märgiline. Jõupingutused hiire sünteetiliste embrüote loomiseks said edu, kui teadlased näitasid selgelt, et embrüonaalsetel tüvirakkudel on võime ise kokku panna ja ise organiseeruda vitro luua embrüotaolisi struktuure, mis meenutasid olulisel määral looduslikke embrüoid^1,2. Sellest tulenevad aga piirangud emakas tõkked. Implantatsioonieelse embrüo kultiveerimine on rutiinne vitro kuid ükski tugev platvorm implantatsioonijärgse hiire embrüo emakavälise kultuuri jaoks (munasilindri staadiumist kuni arenenud organogeneesini) ei olnud saadaval. Läbimurre selle probleemi lahendamiseks toimus eelmisel aastal 2021. aastal, kui uurimisrühm esitles kultuuriplatvormi, mis oli tõhus hiire embrüo implantatsioonijärgseks arendamiseks väljaspool ema emakat. Leiti, et sellel platvormil ex utero kasvanud embrüo koondab täpselt in emakas areng³. See areng ületas emaka barjäärid ja võimaldas teadlastel paremini mõista implantatsioonijärgset morfogeneesi ning on seega aidanud sünteetilise embrüo projektil jõuda kaugele. 

Nüüd on kaks uurimisrühma teatanud sünteetilise hiire embrüo kasvatamisest 8.5 päeva, mis on seni pikim. See oli eristamiseks piisavalt pikk organite (nt südamepekslemine, sooletoru, närvivolt jne), mis on välja kujunenud. See viimane edu on tõesti märkimisväärne.  

Nagu ajakirjas Cell 1. augustil 2022 teatati, genereeris uurimisrühm hiire sünteetilisi embrüoid, kasutades väljaspool ema emakat ainult naiivseid embrüonaalseid tüvirakke (ESC). Nad agregeerisid tüvirakud ja töötlesid neid hiljuti välja töötatud kultuuriplatvormi abil pikema aja jooksul endine emakas kasvu, et saada gastrulatsioonijärgne sünteetiline terve embrüo nii embrüonaalsete kui ka embrüonaalsete sektsioonidega. Sünteetiline embrüo saavutas rahuldavalt verstapostid 8.5-päevase hiire embrüote staadiumis. See uuring toob esile naiivsete pluripotentsete rakkude võime ise kokku panna ja ise organiseerida ja modelleerida kogu imetaja embrüot väljaspool gastrulatsiooni⁴. 

Viimases uuringus, mis avaldati ajakirjas Nature 25. augustil 2022, kasutasid teadlased embrüonaalsete tüvirakkude (ESC) arengupotentsiaali laiendamiseks ka embrüonaalseid tüvirakke. Nad kogusid sünteetilisi embrüoid in vitro, kasutades hiire ESC-sid, TSC-sid ja iXEN-i rakke, mis koondasid hiire loomulikku kogu embrüonaalset arengut emakas kuni päevani 8.5. Sellel sünteetilisel embrüol olid määratletud ees- ja keskaju piirkonnad, tuksuv südametaoline struktuur, närvitorust koosnev tüvi, neuromesodermaalseid eellasrakke sisaldav sabapun, sooletoru ja ürgsed sugurakud. Kogu asi oli embrüovälises kotis⁵. Seega oli selles uuringus organogenees arenenum ja tähelepanuväärsem, võrreldes 1. augustil 2022 ajakirjas Cell kirjeldatud uuringuga. Võib-olla suurendas selles uuringus embrüonaalsete tüvirakkude arengupotentsiaali kahe tüüpi embrüonaalsete tüvirakkude kasutamine. Huvitaval kombel kasutati varasemas uuringus ainult naiivseid embrüonaalseid tüvirakke (ESC).  

Need saavutused on tõeliselt tähelepanuväärsed, kuna see on sünteetiliste imetajate embrüote uuringutes seni kaugeim punkt. Imetajate aju loomise võime on olnud sünteetilise bioloogia peamine eesmärk. Implantatsioonijärgse embrüonaalse arengu loomuliku protsessi taasloomine laboris ületab emaka barjääri ja võimaldab teadlastel uurida kõige varasemaid eluetappe, mis tavaliselt on emakas peidus.  

Hoolimata eetilistest probleemidest, juhivad hiire sünteetiliste embrüo uuringute saavutused lähitulevikus inimese sünteetiliste embrüote uuringuid, mis võivad käivitada sünteetiliste elundite väljatöötamise ja tootmise siirdamist ootavatele patsientidele.  

*** 

viited:  

1. Harrison SE et al 2017. Embrüonaalsete ja ekstraembrüonaalsete tüvirakkude kokkupanek, et jäljendada embrüogeneesi in vitro. TEADUS. 2. märts 2017. Vol 356, väljaanne 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Sünteetilised embrüod: Windows imetajate arengusse. Raku tüvirakk. 20. köide, 5. number, 4. mai 2017, lk 581–582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Emakaväline hiire embrüogenees eelgastrulatsioonist hilise organogeneesini. Loodus 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Tarazi S., et el 2022. Gastrulatsioonijärgsed sünteetilised embrüod, mis genereeriti emakast hiire naiivsetest ESC-dest. Kamber. Avaldatud: 01. august 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Amadei, G., et al 2022. Sünteetilised embrüod viivad gastrulatsiooni lõpuni neurulatsiooni ja organogeneesini. Avaldatud: 25. august 2022. Loodus. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

***