เอ็มบริโอของเมาส์ “สังเคราะห์” ที่มีสมองและหัวใจเต้นรัวจากสเต็มเซลล์

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์และคาลเทคได้สร้างตัวอ่อนของเมาส์จากสเต็มเซลล์ ซึ่งเป็นเซลล์หลักของร่างกาย ซึ่งสามารถพัฒนาเป็นเซลล์ได้แทบทุกชนิดในร่างกายที่มีหัวใจเต้นตลอดจนรากฐานสำหรับสมองและทั้งหมด อวัยวะอื่นๆ ในร่างกายของหนู

ผลลัพธ์ที่ได้คือจุดสุดยอดของการวิจัยมากว่าทศวรรษ และสามารถช่วยให้นักวิจัยเข้าใจว่าเหตุใดตัวอ่อนบางตัวจึงล้มเหลว ในขณะที่ตัวอื่นๆ ยังคงพัฒนาเป็นทารกในครรภ์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการตั้งครรภ์ที่มีสุขภาพดี นอกจากนี้ ผลลัพธ์ยังสามารถนำไปใช้เป็นแนวทางในการซ่อมแซมและพัฒนาอวัยวะสังเคราะห์ของมนุษย์เพื่อการปลูกถ่ายได้

การวิจัยได้ดำเนินการในห้องปฏิบัติการของ Magdalena Zernicka-Goetz , Bren ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาและวิศวกรรมชีวภาพที่ Caltech Zernicka-Goetz ยังเป็นศาสตราจารย์ด้านการพัฒนาสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและชีววิทยาสเต็มเซลล์ในภาควิชาสรีรวิทยา การพัฒนาและประสาทวิทยาของเคมบริดจ์ บทความอธิบายความก้าวหน้านี้ปรากฏในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 25 สิงหาคม

แบบจำลองเอ็มบริโอได้รับการพัฒนาโดยไม่มีไข่หรือสเปิร์ม นักวิจัยได้เลียนแบบกระบวนการทางธรรมชาติในห้องปฏิบัติการโดยแนะนำสเต็มเซลล์สามประเภทที่พบในการพัฒนาของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในระยะแรกจนถึงจุดที่พวกมันเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กัน โดยการกระตุ้นการแสดงออกของยีนชุดใดชุดหนึ่งและสร้างสภาพแวดล้อมเฉพาะสำหรับการมีปฏิสัมพันธ์ นักวิจัยสามารถให้เซลล์ต้นกำเนิด “พูดคุย” ซึ่งกันและกันได้

สเต็มเซลล์จัดตัวเองเป็นโครงสร้างที่ก้าวหน้าผ่านขั้นตอนการพัฒนาต่อเนื่องจนกระทั่งตัวอ่อนสังเคราะห์มีหัวใจเต้นและเป็นรากฐานของสมอง เช่นเดียวกับถุงไข่แดงที่ตัวอ่อนพัฒนาและได้รับสารอาหารในสัปดาห์แรก นี่คือขั้นตอนการพัฒนาขั้นสูงสุดที่ทำได้จนถึงปัจจุบันในแบบจำลองที่ได้จากเซลล์ต้นกำเนิด

ความก้าวหน้าที่สำคัญในการศึกษานี้คือความสามารถในการสร้างสมองทั้งหมด โดยเฉพาะบริเวณส่วนหน้า ซึ่งเป็น “จอกศักดิ์สิทธิ์” ในการพัฒนาตัวอ่อนสังเคราะห์

“นี่เป็นการเปิดโอกาสใหม่ในการศึกษากลไกการพัฒนาระบบประสาทในรูปแบบการทดลอง” Zernicka-Goetz กล่าว “อันที่จริง เราแสดงให้เห็นข้อพิสูจน์ของหลักการนี้ในบทความโดยกำจัดยีนที่ทราบอยู่แล้วว่าจำเป็นต่อการสร้างท่อประสาท สารตั้งต้นของระบบประสาท และสำหรับการพัฒนาสมองและดวงตา ในกรณีที่ไม่มียีนนี้ ตัวอ่อนสังเคราะห์จะแสดงข้อบกพร่องที่เป็นที่รู้จักในการพัฒนาสมองเช่นเดียวกับในสัตว์ที่มีการกลายพันธุ์นี้ ซึ่งหมายความว่าเราสามารถเริ่มใช้วิธีการแบบนี้กับยีนจำนวนมากที่ไม่ทราบหน้าที่ในการพัฒนาสมอง”

“แบบจำลองตัวอ่อนของเมาส์ของเราไม่เพียงแต่พัฒนาสมองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงหัวใจที่เต้นด้วย ซึ่งเป็นส่วนประกอบทั้งหมดที่ประกอบเป็นร่างกาย” เธออธิบาย “ไม่น่าเชื่อว่าเรามาไกลถึงขนาดนี้แล้ว นี่เป็นความฝันของชุมชนของเรามาหลายปีแล้ว และเป็นจุดสนใจหลักของงานของเรามานานนับทศวรรษ และในที่สุดเราก็ทำมันสำเร็จ”

เพื่อให้ตัวอ่อนของมนุษย์พัฒนาได้สำเร็จ จำเป็นต้องมี “บทสนทนา” ระหว่างเนื้อเยื่อที่จะกลายเป็นตัวอ่อนและเนื้อเยื่อที่จะเชื่อมต่อตัวอ่อนกับแม่ ในสัปดาห์แรกหลังการปฏิสนธิ สเต็มเซลล์สามประเภทพัฒนา: หนึ่งจะกลายเป็นเนื้อเยื่อของร่างกายในที่สุด และอีกสองชนิดจะสนับสนุนการพัฒนาของตัวอ่อน หนึ่งในสองประเภทหลังนี้เรียกว่าเซลล์ต้นกำเนิดนอกตัวอ่อน จะกลายเป็นรกซึ่งเชื่อมต่อทารกในครรภ์กับแม่และให้ออกซิเจนและสารอาหาร อีกข้างหนึ่งจะกลายเป็นถุงไข่แดงซึ่งตัวอ่อนจะเติบโตและได้รับสารอาหารจากการพัฒนาในระยะแรก

การตั้งครรภ์หลายครั้งล้มเหลวเมื่อสเต็มเซลล์ทั้งสามประเภทเริ่มส่งสัญญาณทางกลและทางเคมีถึงกัน ซึ่งบอกตัวอ่อนถึงวิธีพัฒนาอย่างเหมาะสม

Zernicka-Goetz กล่าวว่า “ช่วงแรก ๆ นี้เป็นรากฐานสำหรับทุกสิ่งทุกอย่างที่ตามมาในการตั้งครรภ์ “ถ้ามันผิดพลาด การตั้งครรภ์จะล้มเหลว”

กว่าทศวรรษที่ผ่านมา ทีมของ Zernicka-Goetz ได้ศึกษาช่วงแรกของการตั้งครรภ์เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมการตั้งครรภ์บางส่วนถึงล้มเหลวและบางส่วนประสบความสำเร็จ

Zernicka-Goetz กล่าวว่า “แบบจำลองของตัวอ่อนเซลล์ต้นกำเนิดมีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้เราสามารถเข้าถึงโครงสร้างที่กำลังพัฒนาได้ในระยะที่ปกติแล้วจะซ่อนตัวจากเราเนื่องจากการฝังตัวของตัวอ่อนขนาดเล็กในครรภ์ของมารดา “การเข้าถึงนี้ช่วยให้เราสามารถจัดการยีนเพื่อทำความเข้าใจบทบาทการพัฒนาของพวกเขาในระบบทดลองแบบจำลอง”

เพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาตัวอ่อนสังเคราะห์ นักวิจัยได้รวบรวมเซลล์ต้นกำเนิดที่เพาะเลี้ยงไว้ซึ่งเป็นตัวแทนของเนื้อเยื่อแต่ละประเภทและอนุญาตให้พัฒนาตามสัดส่วนและสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการเติบโตและการสื่อสารระหว่างกัน นำไปสู่การพัฒนาตนเองในที่สุด ประกอบเป็นเอ็มบริโอ

นักวิจัยพบว่าเซลล์ extraembryonic ส่งสัญญาณไปยังเซลล์ตัวอ่อนผ่านสัญญาณทางเคมี แต่ยังรวมถึงกลไกหรือผ่านการสัมผัสซึ่งเป็นแนวทางในการพัฒนาของตัวอ่อน

“ช่วงเวลาของชีวิตมนุษย์นี้ช่างลึกลับเหลือเกิน เพื่อที่จะได้เห็นว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไรในจาน เข้าถึงสเต็มเซลล์แต่ละเซลล์ ทำความเข้าใจว่าเหตุใดการตั้งครรภ์จำนวนมากจึงล้มเหลว และเราจะสามารถป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นได้อย่างไร —ค่อนข้างพิเศษ” Zernicka-Goetz กล่าว “เราได้พิจารณาบทสนทนาที่จะต้องเกิดขึ้นระหว่างสเต็มเซลล์ประเภทต่างๆ ในขณะนั้น เราได้แสดงให้เห็นว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไรและมันผิดพลาดได้อย่างไร”

ในขณะที่การวิจัยในปัจจุบันได้ดำเนินการในรูปแบบเมาส์ นักวิจัยกำลังพัฒนาแบบจำลองที่คล้ายคลึงกันสำหรับการพัฒนาตัวอ่อนของมนุษย์เพื่อทำความเข้าใจกลไกเบื้องหลังกระบวนการสำคัญที่อาจเป็นไปไม่ได้ที่จะศึกษาในตัวอ่อนจริง

หากวิธีการเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าประสบความสำเร็จกับสเต็มเซลล์ของมนุษย์ในอนาคต ก็สามารถนำมาใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาอวัยวะสังเคราะห์สำหรับผู้ป่วยที่รอการปลูกถ่าย Zernicka-Goetz กล่าวว่า “มีคนมากมายทั่วโลกที่รอการปลูกถ่ายอวัยวะเป็นเวลาหลายปี “สิ่งที่ทำให้งานของเราน่าตื่นเต้นมากคือความรู้ที่ออกมาจากมันสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างอวัยวะสังเคราะห์ของมนุษย์ที่ถูกต้องเพื่อช่วยชีวิตที่สูญเสียไปในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังควรเป็นไปได้ที่จะส่งผลกระทบและรักษาอวัยวะของผู้ใหญ่โดยใช้ความรู้ที่เรามีเกี่ยวกับวิธีการทำ”

บทความนี้มีชื่อว่า “Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis” ผู้เขียนร่วมคนแรกคือ Gianluca Amadei และ Charlotte Handford จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ผู้ร่วมเขียน Caltech เป็นนักวิชาการหลังปริญญาเอก Hannah Greenfeld และ Dong-Yuan Chen; นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Martin Tran; Michael Elowitz ศาสตราจารย์วิชาชีววิทยาและวิศวกรรมชีวภาพและผู้ตรวจสอบสถาบันการแพทย์ Howard Hughes; และ David Glover ศาสตราจารย์วิจัยด้านชีววิทยาและวิศวกรรมชีวภาพ ผู้เขียนร่วมเพิ่มเติม ได้แก่ Chengxiang Qiu และ Beth Martin จาก University of Washington; Joachim De Jonghe และ Florian Hollfelder จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์; Alejandro Aguilera-Castrejon และ Jacob Hanna จากสถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann ในอิสราเอล; และ Jay Shendure จากมหาวิทยาลัย Washington, Brotman Baty Institute for Precision Medicine ในซีแอตเทิล, Allen Discovery Center for Cell Lineage Tracing ในซีแอตเทิล

ทุนสนับสนุนโดยสถาบันสุขภาพแห่งชาติ, European Research Council, Wellcome Trust, Open Philanthropy/Silicon Valley Community Foundation และ Weston Havens Foundation และ the Center for Trophoblast Research

เรื่องนี้ดัดแปลงมาจาก เรื่องต้นฉบับ โดยมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์

หน้าแรก