Konstgjorda mänskliga embryon kommer, och ingen vet hur man hanterar dem

MED TILLSTÅND AV ARYEH WARMFLASH, RICE UNIVERSITY Med tillstånd av Aryeh Warmflash, Rice University.

Yue Shao hade aldrig sett något liknande.

För två år sedan arbetade Shao, en maskiningenjör med känsla för biologi, med embryonala stamceller, den typ som härrör från mänskliga embryon som kan bilda vilken celltyp som helst. När han experimenterade med sätt att få celler att bilda mer organiserade tredimensionella strukturer genom att odla dem i byggnadsställningar av mjuk gel, letade han efter tecken på primitiv neural vävnad.

Det som drog hans uppmärksamhet var att cellerna verkade förändras mycket snabbare än förväntat – de ordnade sig snabbt under några dagar i en skev cirkel.

Vad var det? Shao skrämde Googla för att se om han kunde identifiera strukturen. Det var då han landade på en webbplats som heter The Virtuella mänskliga embryo och hittade några mikroskopfoton av tio dagar gamla mänskliga embryon kort efter implantation, sammansmälta med livmoderväggen. Det var början av fostersäcken och, inuti den, den embryonala skivan, eller den framtida kroppen. De matchade vad han såg.

I den här mikroskopfilmen, filmad under fyra dagar, organiserar stamceller sig själv på ett sätt som efterliknar ett mänskligt embryo. Med tillstånd från University of Michigan

Shao informerade sina medarbetare, ett blandat team av biologer och ingenjörer, vid University of Michigan. När jag visade bilden för laget sa alla: Wow, vi måste komma på vad vi ska göra, säger Shao. Hade de på något sätt gjort ett riktigt mänskligt embryo av stamceller? Då började vi vara mer försiktiga.

De embryoliknande strukturerna, fastställde teamet snart, är inte kompletta och kunde inte bli en person. De saknar de celltyper som behövs för att göra en moderkaka, ett hjärta eller en hjärna. Trots det är embryoiderna från Michigan tillräckligt realistiska för att labbet har förstört dem med ett bad med tvättmedel eller formaldehyd för att se till att de inte utvecklas vidare.

Arbetet i Michigan är en del av en större boom inom organoidforskning – forskare använder stamceller för att skapa klumpar av celler som allt mer liknar bitar av hjärna, lungor eller tarm (se 10 genombrottsteknologier: hjärnorganoider). Nu upptäcker några som Shao att det är möjligt att härma själva embryot. I år byggde till exempel forskare i Cambridge, U.K. en övertygande kopia av ett sex dagar gammalt musembryo genom att kombinera två typer av stamceller. Den gruppen försöker nu göra samma sak med mänskliga celler, liksom några andra, inklusive en vid Rockefeller University i New York. Vad som dyker upp, säger forskare, är en ny teknologi, som de kallar syntetisk embryologi, och som de tror kan låta dem undersöka de fascinerande inledande kapitlen i mänsklig utveckling i detalj för första gången.

Det har varit svårt att göra eftersom normala embryon inte fortsätter att växa mer än ungefär en vecka i ett labb. Nyckelhändelser efter det är i stort sett otillgängliga för vetenskapen: de inträffar i mörkret i den mänskliga livmodern redan innan de flesta kvinnor vet att de är gravida.

En mikrofluidisk enhet som används vid University of Michigan för att odla organoider gjorda av embryonala celler. Cirka 10 organoider får plats inuti var och en av de små blå kanalerna. Med tillstånd från University of Michigan

Dessutom är forskning på verkliga mänskliga embryon förföljd av abortpolitik, begränsad av finansieringslagar och begränsad till leveranser från IVF-kliniker. Nu, genom att odla embryoider istället, ser forskarna en väg runt sådana gränser. De släpper redan lös hela sviten av moderna laboratorieverktyg – genredigering, optogenetik, höghastighetsmikroskop – på sätt som låter dem upprepa ett experiment hundratals gånger eller, med genetisk trolldom, ställa tusen frågor på en gång.

Ett resultat redan från Michigan-teamet: dramatisk närbildsvideo av stamceller som självorganiserar sig till strukturer som efterliknar embryon.

Det är fantastiskt att [stamceller] har denna förmåga, säger Jianping Fu , professor vid University of Michigan i vars ingenjörslabb Shao var student. Han säger att uppkomsten av något med ett embryos form, och några av dess egenskaper, var en fullständig överraskning; Jag kan fortfarande inte tro det. Men det visar att dessa celler kommer ihåg vad de ska göra.

Forskare vid Michigan har nu planer på att tillverka embryoider i hundratals. Dessa kan användas för att screena läkemedel för att se vilka som orsakar fosterskador, hitta andra för att öka chansen att bli gravid eller för att skapa utgångsmaterial för laboratoriegenererade organ. Men etiska och politiska bråk ligger kanske inte långt efter. Detta är en het ny gräns inom både vetenskap och bioetik. Och det verkar sannolikt att förbli omtvistat under de kommande åren, säger Jonathan Kimmelman, medlem av bioetikenheten vid McGill University, i Montreal, och ledare för en internationell organisation av stamcellsforskare.

Vad växer egentligen i maträtten? Det finns inget enkelt svar på det. Faktum är att ingen ens är säker på vad man ska kalla dessa nya enheter. I mars erbjöd ett team från Harvard University alla syntetiska mänskliga enheter med embryoliknande egenskaper, eller SHEEFS, i ett papper varnar för att många nya sorter är vid horisonten, inklusive realistiska minihjärnor.

Shao, som fortsätter sin utbildning vid MIT, grävde i etikfrågan och kom till sina egna slutsatser. Mycket tidigt i vår forskning började vi uppmärksamma varför vi gör detta? Är det verkligen nödvändigt? Vi bestämde oss för att ja, vi försöker odla en struktur som liknar en del av det tidiga mänskliga embryot som annars är svårt att studera, säger Shao. Men vi kommer inte att skapa ett fullständigt mänskligt embryo. Jag kan inte bara tänka på mina känslor. Jag måste tänka på samhället.

Andra forskare är dock fast beslutna att se hur långt vetenskapen leder, fram till och med att smida det första kompletta mänskliga embryot från stamceller. Det är fallet med Ali Brivanlou, en embryolog som leder ett labb vid Rockefeller University i New York City. Mitt mål är att maximera modelleringen, in vitro, av mänsklig utveckling, skrev Brivanlou i ett e-postmeddelande. Därför vill vi vara så exakta som möjligt och så fullständiga som möjligt.

Tar form

Embryonala stamceller isolerades först från reservdelar, dagar gamla IVF-embryon 1998 av forskare i Wisconsin. Tidigt, under de första dagarna, är ett embryo lite mer än en massa av dessa identiska, tomma celler. Deras specialitet: att göra någon annan typ av cell i kroppen. Med ett öga mot eventuella medicinska behandlingar har företag använt dem för att producera neuroner och betaceller som svarar på insulin. Lämnade de ensamma i en maträtt förvandlas de spontant till hjärtmuskeln och börjar slå.

Forskare har börjat leta efter sätt att få stamceller att bilda mer komplicerade, organiserade vävnader, kallade organoider. Dessa miniorgan är inte den äkta varan. Istället är de mycket mindre - storleken på sandkorn - och ofta mindre sofistikerade. Men de kan fortfarande ha grundläggande aspekter av t.ex. de förgrenade luftvägarna och vågiga flimmerhåren i en lunga . Förra året använde forskare hjärnorganoider för att visa hur Zika-viruset kan infektera hjärnceller.

År 2014 började sådana ansträngningar ge bevis för att stamceller kan, om de ges rätt signaler, direkt återskapa tidiga händelser i ett embryo. Brivanlous labb hade idén att samla stamceller i små prickar på en mikromönstrad yta. Att innehålla cellerna bidrog till en överraskande effekt. De utvecklade en organiserad primitiv strimma - en egenskap hos ett två veckor gammalt mänskligt embryo när celler lägger ner den första antydan till en kroppsplan och bestämmer vilken sida som är vänster och höger.

De embryoiderna var inte naturliga. De var tunna, växte som ett platt lakan, och deras ränder var cirklar, inte linjer som i ett riktigt embryo. Men det fungerade bättre än vi trodde, säger Aryeh Warmflash, en professor vid Rice University som drev experimentet medan han arbetade på Rockefeller. Vad vi alltmer har insett är att cellerna är programmerade att göra ett embryo. Det är vad de vill göra. Om celler är i rätt form, med rätt täthet, och du ger dem rätt signal, tar cellerna bara över därifrån, de pratar med varandra.

I Michigan säger Fu att hans labb, som arbetar med Michigan-biologen Deborah Gumicio, hittade sin egen metod för att tillverka embryoider nästan av en slump samtidigt som han studerade om mekaniska signaler, som att växa celler i en gel som är mjuk eller klibbig, kan förbättra deras förmåga att bildas. vissa vävnader.

Ett experiment involverade att uppmuntra tarmceller att bilda en lumen, eller ihålig cysta. Som kontrollexperiment odlade de även embryonala stamceller på samma sätt. Det var då serendipity slog till, säger Fu. Stamcellerna polariserades till sfärer som liknar början av en fostervattenhåla. [Efter] det var då vi såg alla de fascinerande självorganiserande funktionerna, säger Fu.

Etiska frågor

Ytterligare tester visade att embryoiderna endast representerade en del av embryot. Medan de hade början av en fostersäck, saknade de en hel linje av celler, kallade trofoblast, vars roll är att göra moderkakan. Och inuti den cellklump som utgör ett egentligt embryo, upptäckte forskarna bara en av tre nyckeltyper som behövs för att göra en komplett kropp.

När teamet publicerade sina resultat i början av augusti gick de mest obemärkta förbi. Det beror kanske på att forskarna noggrant valde sina ord och ansträngde sig för att undvika jämförelser med embryon. Shao började till och med använda termen asymmetrisk cysta för att beskriva de enheter som hade så överraskat laget. Vi måste vara försiktiga med att använda termen syntetiskt mänskligt embryo, för vissa människor är inte nöjda med det, säger Fu.

En embryoid skapad av stamceller delar nyckelegenskaper med ett riktigt mänskligt embryo, som en fostersäck, men saknar andra element. MED TILLSTÅND AV YUE SHAO, UNIVERSITY OF MICHIGAN

För närvarande observerar forskare i USA och Storbritannien som arbetar med naturliga mänskliga embryon en gräns för sitt arbete som kallas 14-dagarsregeln. Inget mänskligt embryo studeras längre än två veckor, eller tidigare när den primitiva strimmen bildas, beroende på vad som kommer först. Dessförinnan tror ingen att de har någon form av känsla och är oförmögna att känna smärta enligt Warnock-rapporten från 1984 som fastställde regeln.

I decennier har den regeln erbjudit en bekväm och tydlig linje i sanden. Och samma gränser tillämpas på embryoider, åtminstone för nu. Efter riktlinjer som offentliggjordes förra året av Kimmelmans internationella stamcellsförening, förstör Fus team cellerna bara fem dagar efter att de tillverkats. Detta hindrar strukturerna från att utveckla det som bioetiker kallar drag av oro – som ett primitivt nervsystem.

Men forskare är beredda att hävda att deras strukturer inte är riktiga embryon, och att de borde kunna tänja på gränsen. Vissa experter kräver ett helt slut på regeln och säger att den är föråldrad. John Aach, en forskare vid Harvard Medical School, tror att helt nya etiska mätstavar kommer att behövas för att hjälpa till att styra tester av organoider. Kan till exempel en minihjärna som odlats i labbet på något sätt känna lidande? Och kan vår definition av ett embryo motstå bevis på att laboratorier kan göra nya sorter som aldrig tidigare setts? Alla stora vetenskapliga framsteg har ett sätt att avslöja oprecisionen i vanliga begrepp och tvinga människor att tänka om dem, säger Aach.

Redan innan hans tidning kom ut knäppte Shao experter på etik, inklusive Insoo Hyun, professor vid Case Western University, vid en konferens i Boston i år. Hyun kände att den unge forskaren var på säker mark eftersom hans struktur inte innehöll alla delar av ett embryo. Jag tycker att de borde designa experiment för att fokusera på specifika frågor, och inte modellera allt, säger Hyun. Mitt förslag är, bara inte göra hela grejen. Ett lag kan göra motorn, ett annat hjulen. Ju mindre tvetydig moraliskt det är som du gör, desto mer sannolikt kan du göra din forskning obehindrat.

Det finns ytterligare en anledning att vara försiktig. USA förbjuder för närvarande federal finansiering för alla studier av embryon, oavsett hur de är gjorda, enligt en lag som kallas Dickey-Wicker Amendment.

Även om dagens embryoider inte verkar omfattas av den lagliga begränsningen, kan de vara det om forskare gör dem tillräckligt realistiska. Som svar på skriftliga frågor säger National Institutes of Healths vetenskapspolitiska kontor, 33 miljarder dollar om året, att de har en intern process som den använder för att analysera bidrag och för att avgöra om föreslagen forskning skulle skapa en organism som uppfyller den lagstadgade definitionen av ett mänskligt embryo.

Forskarna i Michigan, vars projekt använde medel från två NIH-anslag, säger att byråns tjänstemän inte har gjort några invändningar hittills. För närvarande lever och dör embryoiderna i lådor gjorda av lucite och metall och matas med odlingsmedium. På grund av den riktigt tunga ingenjörskomponenten till dessa enheter, tror jag att du kommer att kunna hävda att dessa inte är organismer, säger Hyun. Det är en punkt som Shao också har försökt betona. När Shao presenterade gruppens arbete i år lade han till ett etikuttalande i en ljusgul ruta till sina bilder och sa att embryoiderna inte har mänsklig organismform eller potential.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse

Men sådana definitioner kan vara ett rörligt mål. Hela poängen med strukturerna är det överraskande, självstyrande, till och med organismmässiga sättet de utvecklas. Robert Cork är chef för Virtual Embryo Project, som underhåller bilderna som Michigan-teamet använde för att identifiera sina strukturer. När jag frågade honom om Shaos papper berättade Cork för mig att embryoiderna kunde fortsätta att göra några av de delar som de saknar för närvarande, om experimenten tillåts fortskrida. Detta skulle tyda på att om de kan hålla cystorna livskraftiga längre kan de gå vidare och börja utvecklas till något mer 'embryoliknande', säger Cork.

Hög genomströmning

Jianping Fu är professor i maskinteknik vid University of Michigan. Med tillstånd från University of Michigan

Fu säger att nästa steg i hans Ann Arbor-laboratorium är att perfekta procedurer för att göra embryoider med specifika egenskaper, och i större antal. Till en början, av var 100:e cystor som forskarna i Michigan växte, slutade endast fem med den asymmetriska formen som påminner om fostersäcken. Men de har redan lärt sig hur man får den formen att dyka upp varje gång. Produktionen av embryoider kommer att bli programmerbar och skalbar, förutspår Fu.

Läkemedel kan testas på embryoiderna, till exempel för att flagga alla som har toxiska effekter och orsakar fosterskador. Fus förhoppning är att syntetisk embryologi så småningom kan hjälpa ingenjörer att odla kompletta mänskliga organ. Jag pratar inte om en människokropp utan hjärna. Men vad som är en sann möjlighet är att du kan utveckla en mini-tarm eller en mini-lever, eftersom embryot utvecklar dem också. Och om du har de primitiva organen kan de växa till ett fungerande organ, förutspår Fu. Labbet har börjat odla embryoider på ett chip ungefär lika stort som ett kreditkort. Etsade in i den är sex mikrokanaler, var och en rymmer 10 av enheterna, som suspenderas i hydrogeler och matas med näringsämnen i miniatyrhinkar. Fu kallar det högkapacitetstillverkning.

På så sätt, säger han, kan allt triggas och under kontroll.

Dölj