211service.com
Er komen kunstmatige menselijke embryo's aan en niemand weet hoe ermee om te gaan
MET DANK AAN ARYEH WARMFLASH, RICE UNIVERSITY Met dank aan Aryeh Warmflash, Rice University.
Yue Shao had nog nooit zoiets gezien.
Twee jaar geleden werkte Shao, een werktuigbouwkundig ingenieur met een flair voor biologie, met embryonale stamcellen, het soort afgeleid van menselijke embryo's die elk celtype kunnen vormen. Terwijl hij experimenteerde met manieren om cellen meer georganiseerde driedimensionale structuren te laten vormen door ze te laten groeien in steigers van zachte gel, zocht hij naar tekenen van primitief neuraal weefsel.
Wat zijn aandacht trok, was dat de cellen veel sneller leken te veranderen dan verwacht - ze schikten zich in een paar dagen snel in een scheve cirkel.
Wat was het? Shao liet Googlen opschrikken om te zien of hij de structuur kon identificeren. Toen belandde hij op een website genaamd The Virtueel menselijk embryo en vond enkele microscoopfoto's van tien dagen oude menselijke embryo's kort na implantatie, versmolten met de baarmoederwand. Er was het begin van de vruchtzak en, daarin, de embryonale schijf, of het toekomstige lichaam. Ze kwamen overeen met wat hij zag.
In deze microscoopfilm, die gedurende vier dagen is gefilmd, organiseren stamcellen zichzelf op manieren die een menselijk embryo nabootsen. Met dank aan de Universiteit van Michigan
Shao informeerde zijn collega's, een gemengd team van biologen en ingenieurs, aan de Universiteit van Michigan. Toen ik de afbeelding aan het team liet zien, zei iedereen: Wow, we moeten uitzoeken wat we moeten doen, zegt Shao. Hadden ze op de een of andere manier een echt menselijk embryo gemaakt van stamcellen? Vanaf dat moment zijn we voorzichtiger geworden.
De embryo-achtige structuren, zo stelde het team al snel vast, zijn niet compleet en kunnen geen persoon worden. Ze missen de celtypen die nodig zijn om een placenta, een hart of een brein te maken. Toch zijn de embryoïden uit Michigan zo realistisch dat het laboratorium ze heeft vernietigd met een bad met wasmiddel of formaldehyde om ervoor te zorgen dat ze zich niet verder ontwikkelen.
Het werk in Michigan maakt deel uit van een grotere hausse in organoïde-onderzoek - wetenschappers gebruiken stamcellen om klompjes cellen te creëren die steeds meer lijken op stukjes hersenen, longen of darmen (zie 10 Breakthrough Technologies: Brain Organoids). Nu ontdekken sommigen zoals Shao dat het mogelijk is om het embryo zelf na te bootsen. Dit jaar hebben onderzoekers in Cambridge, V.K., bijvoorbeeld een overtuigende replica van een zes dagen oud muizenembryo door twee soorten stamcellen te combineren. Die groep probeert nu hetzelfde te doen met menselijke cellen, net als een paar anderen, waaronder een aan de Rockefeller University in New York. Wat volgens wetenschappers in opkomst is, is een nieuwe technologie, die ze synthetische embryologie noemen, en waarvan ze denken dat ze de fascinerende eerste hoofdstukken van de menselijke ontwikkeling voor het eerst in detail kunnen onderzoeken.
Dat was moeilijk om te doen, omdat normale embryo's niet langer dan ongeveer een week in een laboratorium blijven groeien. Belangrijke gebeurtenissen daarna zijn grotendeels ontoegankelijk voor de wetenschap: ze vinden plaats in de duisternis van de menselijke baarmoeder, zelfs voordat de meeste vrouwen weten dat ze zwanger zijn.
Een microfluïdisch apparaat dat aan de Universiteit van Michigan wordt gebruikt om organoïden te kweken die zijn gemaakt van embryonale cellen. Ongeveer 10 organoïden passen in elk van de kleine blauwe kanalen. Met dank aan de Universiteit van Michigan
Bovendien wordt onderzoek naar echte menselijke embryo's achtervolgd door abortuspolitiek, beperkt door financieringswetten en beperkt tot leveringen van IVF-klinieken. Door in plaats daarvan embryoïden te laten groeien, zien wetenschappers een manier om dergelijke limieten te omzeilen. Ze ontketenen al de volledige reeks moderne laboratoriumtools - genbewerking, optogenetica, hogesnelheidsmicroscopen - op manieren waarmee ze een experiment honderden keren kunnen herhalen of, met genetische tovenarij, duizend vragen tegelijk kunnen stellen.
Een resultaat al van het Michigan-team: dramatische close-upvideo van stamcellen die zichzelf organiseren in structuren die embryo's nabootsen.
Het is verbazingwekkend dat [stamcellen] dit vermogen hebben, zegt Jianping Fu , de professor van de Universiteit van Michigan in wiens ingenieurslaboratorium Shao student was. Hij zegt dat de opkomst van iets met de vorm van een embryo, en enkele van zijn kenmerken, een complete verrassing was; Ik kan het nog steeds niet geloven. Maar het laat zien dat deze cellen zich herinneren wat ze zouden moeten doen.
Wetenschappers in Michigan hebben nu plannen om honderden embryo's te maken. Deze kunnen worden gebruikt om medicijnen te screenen om te zien welke geboorteafwijkingen veroorzaken, andere te vinden om de kans op zwangerschap te vergroten of om uitgangsmateriaal te maken voor in het laboratorium gegenereerde organen. Maar ethische en politieke ruzies zullen misschien niet ver achterblijven. Dit is een hete nieuwe grens in zowel wetenschap als bio-ethiek. En het lijkt waarschijnlijk dat het de komende jaren omstreden zal blijven, zegt Jonathan Kimmelman, lid van de bio-ethiekeenheid aan de McGill University, in Montreal, en een leider van een internationale organisatie van stamcelwetenschappers.
Wat groeit er echt in het gerecht? Daar is geen eenvoudig antwoord op. Sterker nog, niemand weet zelfs zeker hoe deze nieuwe entiteiten moeten worden genoemd. In maart bood een team van de Harvard University de allesomvattende synthetische menselijke entiteiten met embryo-achtige kenmerken, of SHEEFS, aan. in een krant waarschuwend dat er veel nieuwe variëteiten aan de horizon zijn, inclusief realistische mini-hersenen.
Shao, die zijn opleiding aan het MIT voortzet, verdiepte zich in de ethische kwestie en kwam tot zijn eigen conclusies. Al heel vroeg in ons onderzoek begonnen we aandacht te besteden aan waarom doen we dit? Is het echt nodig? We besloten ja, we proberen een structuur te kweken die lijkt op een deel van het menselijke vroege embryo dat anders moeilijk te bestuderen is, zegt Shao. Maar we gaan geen volledig menselijk embryo voortbrengen. Ik kan niet alleen rekening houden met mijn gevoelens. Ik moet nadenken over de samenleving.
Andere wetenschappers zijn echter vastbesloten om te zien hoe ver de wetenschap leidt, tot en met het smeden van het eerste volledige menselijke embryo uit stamcellen. Dat is het geval van Ali Brivanlou, een embryoloog die een laboratorium leidt aan de Rockefeller University in New York City. Mijn doel is om het modelleren, in vitro, van menselijke ontwikkeling te maximaliseren, schreef Brivanlou in een e-mail. Daarom willen we zo nauwkeurig mogelijk en zo volledig mogelijk zijn.
Vorm aannemen
Embryonale stamcellen werden voor het eerst geïsoleerd uit reserve, dagen oude IVF-embryo's in 1998 door wetenschappers in Wisconsin. Al vroeg, in de eerste paar dagen, is een embryo niet meer dan een massa van deze identieke, onbewerkte cellen. Hun specialiteit: het maken van elk ander type cel in het lichaam. Met het oog op eventuele medische behandelingen hebben bedrijven ze gebruikt om neuronen en bètacellen te produceren die op insuline reageren. Alleen gelaten in een gerecht, zullen ze spontaan in hartspier veranderen en beginnen te kloppen.
Wetenschappers zijn begonnen met het zoeken naar manieren om stamcellen over te halen om meer gecompliceerde, georganiseerde weefsels te vormen, organoïden genaamd. Deze mini-orgels zijn niet het echte werk. In plaats daarvan zijn ze veel kleiner - zo groot als zandkorrels - en vaak minder geavanceerd. Maar ze kunnen nog steeds basisaspecten hebben van, laten we zeggen, de vertakte luchtwegen en golvende trilhaartjes van een long . Vorig jaar lieten onderzoekers met hersenorganoïden zien hoe het zikavirus hersencellen kan infecteren.
Tegen 2014 begonnen dergelijke inspanningen bewijs op te leveren dat stamcellen, als ze de juiste signalen krijgen, vroege gebeurtenissen in een embryo direct kunnen naspelen. Het laboratorium van Brivanlou kwam op het idee om stamcellen in kleine stippen op een oppervlak met micropatronen te verzamelen. Het bevatten van de cellen leidde tot een verrassend effect. Ze ontwikkelden een georganiseerde primitieve trek - een kenmerk van een twee weken oud menselijk embryo wanneer cellen de eerste hint van een lichaamsplan vastleggen en beslissen welke kant links is en wat goed is.
Die embryoïden waren niet natuurlijk. Ze waren dun, gegroeid als een platte plaat, en hun strepen waren cirkels, geen lijnen zoals bij een echt embryo. Maar het werkte beter dan we dachten, zegt Aryeh Warmflash, een professor aan de Rice University die het experiment leidde terwijl hij bij Rockefeller werkte. Wat we ons steeds meer realiseren is dat de cellen zijn geprogrammeerd om een embryo te maken. Dat is wat ze willen doen. Als cellen in de juiste vorm zijn, met de juiste dichtheid, en je geeft ze het juiste signaal, nemen de cellen het vanaf daar gewoon over, ze praten met elkaar.
In Michigan zegt Fu dat zijn laboratorium, in samenwerking met de Michigan-bioloog Deborah Gumicio, zijn eigen methode heeft gevonden om bijna per ongeluk embryoïden te maken, terwijl hij bestudeerde of mechanische signalen, zoals het laten groeien van cellen in een gel die zacht of plakkerig is, hun vermogen om zich te vormen te verbeteren. bepaalde weefsels.
Eén experiment omvatte het aanmoedigen van darmcellen om een lumen of holle cyste te vormen. Als controle-experiment kweekten ze op dezelfde manier ook embryonale stamcellen. Toen sloeg de serendipiteit toe, zegt Fu. De stamcellen polariseerden in bolletjes die gelijkenis vertoonden met het begin van een vruchtwaterholte. [Daarna] zagen we alle fascinerende zelforganiserende functies, zegt Fu.
Ethische vragen
Verdere tests toonden aan dat de embryoïden slechts een deel van het embryo vertegenwoordigden. Hoewel ze het begin van een vruchtzak hadden, misten ze een hele reeks cellen, trofoblast genaamd, wiens rol het is om de placenta te maken. En in de klomp cellen die het eigenlijke embryo vormt, ontdekten de onderzoekers slechts één van de drie belangrijkste typen die nodig zijn om een compleet lichaam te maken.
Toen het team zijn bevindingen begin augustus publiceerde, bleven ze grotendeels onopgemerkt. Dat komt misschien omdat de wetenschappers hun woorden zorgvuldig hebben gekozen en zich hebben ingespannen om vergelijkingen met embryo's te vermijden. Shao gebruikte zelfs de term asymmetrische cyste om de entiteiten te beschrijven die het team zo hadden verrast. We moeten voorzichtig zijn met het gebruik van de term synthetisch menselijk embryo, want sommige mensen zijn er niet blij mee, zegt Fu.
Een embryoïde gemaakt van stamcellen deelt belangrijke kenmerken met een echt menselijk embryo, zoals een vruchtzak, maar mist andere elementen. MET DANK AAN YUE SHAO, UNIVERSITEIT VAN MICHIGAN
Momenteel houden wetenschappers in de VS en het VK die met natuurlijke menselijke embryo's werken een limiet aan voor hun werk, de 14-dagenregel. Geen enkel menselijk embryo wordt meer dan twee weken bestudeerd, of voorbij wanneer de primitieve streep zich vormt, wat het eerst komt. Voor die tijd denkt niemand dat ze enig gevoel hebben en niet in staat zijn om pijn te voelen volgens het Warnock-rapport uit 1984 waarin de regel is vastgelegd.
Decennialang bood die regel een handige en duidelijke lijn in het zand. En dezelfde limieten worden toegepast op embryoïden, althans voorlopig. Volgens richtlijnen die vorig jaar zijn uitgevaardigd door de internationale stamcelvereniging van Kimmelman, vernietigt Fu's team de cellen slechts vijf dagen nadat ze zijn gemaakt. Dit voorkomt dat de structuren zich ontwikkelen wat bio-ethici noemenswaardige kenmerken, zoals een primitief zenuwstelsel.
Maar wetenschappers zijn bereid te beweren dat hun structuren geen echte embryo's zijn en dat ze de limiet moeten kunnen verleggen. Sommige experts pleiten voor een einde aan de regel, omdat ze achterhaald zijn. John Aach, een wetenschapper aan de Harvard Medical School, denkt dat er geheel nieuwe ethische meetlatten nodig zullen zijn om tests van organoïden te begeleiden. Zou een minibrein dat in het laboratorium is gekweekt bijvoorbeeld op de een of andere manier lijden kunnen voelen? En is onze definitie van een embryo bestand tegen het bewijs dat laboratoria nieuwe soorten kunnen maken die nog nooit eerder zijn gezien? Alle grote wetenschappelijke ontwikkelingen hebben een manier om de onnauwkeurigheid van gemeenschappelijke concepten bloot te leggen en mensen te dwingen ze te heroverwegen, zegt Aach.
Zelfs voordat zijn paper uitkwam, sprak Shao op een conferentie dit jaar in Boston ethische experts uit, waaronder Insoo Hyun, een professor aan de Case Western University. Hyun had het gevoel dat de jonge onderzoeker op veilige grond was omdat zijn structuur niet elk deel van een embryo bevatte. Ik denk dat ze experimenten moeten ontwerpen om zich op specifieke vragen te concentreren, en niet alles modelleren, zegt Hyun. Mijn voorstel is, maak gewoon niet het hele ding. Het ene team kan de motor maken, het andere de wielen. Hoe minder dubbelzinnig het is dat je maakt, hoe groter de kans dat je je onderzoek ongehinderd kunt doen.
Er is nog een reden om voorzichtig te zijn. De VS verbieden momenteel federale financiering voor elke studie van embryo's, ongeacht hoe ze worden gemaakt, volgens een wet die het Dickey-Wicker-amendement wordt genoemd.
Hoewel de embryoïden van vandaag niet onder de wettelijke beperking lijken te vallen, zouden ze dat wel kunnen zijn als wetenschappers ze realistisch genoeg maken. In antwoord op schriftelijke vragen zegt het wetenschapsbeleidsbureau van de National Institutes of Health, het fonds voor $ 33 miljard per jaar, dat het een intern proces heeft dat het gebruikt om subsidies te analyseren en te bepalen of voorgesteld onderzoek een organisme zou creëren dat voldoet aan de wettelijke definitie van een menselijk embryo.
De wetenschappers uit Michigan, wiens project geld gebruikte van twee NIH-beurzen, zeggen dat ambtenaren van het bureau tot nu toe geen bezwaar hebben gemaakt. Voorlopig leven en sterven de embryoïden in dozen van lucite en metaal en worden ze gevoed met kweekmedium. Vanwege de echt zware technische component van deze entiteiten, denk ik dat je kunt beweren dat dit geen organismen zijn, zegt Hyun. Dat is een punt dat Shao ook heeft willen benadrukken. Toen Shao het werk van de groep dit jaar presenteerde, voegde hij aan zijn dia's een ethische verklaring toe, geschetst in een felgele doos, waarin stond dat de embryoïden geen menselijke organismale vorm of potentieel hebben.
Verwant verhaal
Verwant verhaal Maar zulke definities kunnen een bewegend doelwit zijn. Het hele punt van de structuren is de verrassende, zelfgestuurde, zelfs organische manier waarop ze zich ontwikkelen. Robert Cork is het hoofd van het Virtual Embryo Project, dat de afbeeldingen onderhoudt die het team uit Michigan gebruikte om hun structuren te identificeren. Toen ik hem vroeg naar Shao's paper, vertelde Cork me dat de embryoïden door zouden kunnen gaan met het maken van enkele van de delen die ze momenteel missen, als de experimenten zouden vorderen. Dit zou suggereren dat als ze de cysten langer levensvatbaar kunnen houden, ze door kunnen gaan en zich kunnen ontwikkelen tot iets meer 'embryo-achtig', zegt Cork.
Hoge doorvoer
Jianping Fu is hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Michigan. Met dank aan de Universiteit van Michigan
Fu zegt dat de volgende stap in zijn laboratorium in Ann Arbor is om procedures te perfectioneren voor het maken van embryoïden met specifieke kenmerken, en in grotere aantallen. Aanvankelijk groeiden de wetenschappers uit Michigan van elke 100 cysten, slechts vijf eindigden met de asymmetrische vorm die doet denken aan de vruchtzak. Maar ze hebben al geleerd hoe ze die vorm elke keer kunnen laten verschijnen. De productie van embryoiden wordt programmeerbaar en schaalbaar, voorspelt Fu.
Op de embryoïden zouden geneesmiddelen kunnen worden getest, bijvoorbeeld om eventuele toxische effecten en geboorteafwijkingen te signaleren. Fu's hoop is dat synthetische embryologie uiteindelijk ingenieurs kan helpen om complete menselijke organen te laten groeien. Ik heb het niet over een menselijk lichaam zonder hersenen. Maar wat een echte mogelijkheid is, is dat je een minidarm of een minilever kunt ontwikkelen, omdat het embryo ze ook ontwikkelt. En als je de primitieve organen hebt, kunnen ze uitgroeien tot een functionele, voorspelt Fu. Het lab is begonnen met het kweken van embryoiden op een chip ter grootte van een creditcard. Daarin zijn zes microkanalen geëtst, elk met 10 van de entiteiten, die zijn gesuspendeerd in hydrogels en worden gevoed met voedingsstoffen die in miniatuuremmertjes worden bewaard. Fu noemt het productie met hoge doorvoer.
Zo kan volgens hem alles getriggerd en onder controle worden gehouden.