Kunstige menneskelige embryoner kommer, og ingen ved, hvordan de skal håndteres

TILLATELSE AF ARYEH WARMFLASH, RICE UNIVERSITY Udlånt af Aryeh Warmflash, Rice University.

Yue Shao havde aldrig set noget lignende.

For to år siden arbejdede Shao, en maskiningeniør med flair for biologi, med embryonale stamceller, den slags, der stammer fra menneskelige embryoner, der er i stand til at danne enhver celletype. Da han eksperimenterede med måder at få celler til at danne mere organiserede tredimensionelle strukturer ved at dyrke dem i stilladser af blød gel, ledte han efter tegn på primitivt neuralt væv.

Det, der tiltrak hans opmærksomhed, var, at cellerne syntes at ændre sig meget hurtigere end forventet - de arrangerede sig hurtigt over et par dage i en skæv cirkel.

Hvad var det? Shao forskrækkede Googling for at se, om han kunne identificere strukturen. Det var da han landede på en hjemmeside kaldet The Virtuelt menneskeligt embryo og fandt nogle mikroskopfotos af ti dage gamle menneskelige embryoner kort efter implantation, smeltet sammen med livmodervæggen. Der var begyndelsen på fostersækken og indeni den embryonale skive eller fremtidige krop. De matchede det, han så.

I denne mikroskopfilm, optaget over fire dage, organiserer stamceller sig selv på måder, der efterligner et menneskeligt embryo. Udlånt af University of Michigan

Shao informerede sine kolleger, et blandet team af biologer og ingeniører, ved University of Michigan. Da jeg viste billedet til holdet, sagde alle: Wow, vi skal finde ud af, hvad vi skal gøre, siger Shao. Havde de på en eller anden måde lavet et rigtigt menneskeligt embryo af stamceller? På det tidspunkt begyndte vi at være mere forsigtige.

De embryo-lignende strukturer, holdet fastslog snart, er ikke komplette og kunne ikke blive en person. De mangler de celletyper, der er nødvendige for at lave en moderkage, et hjerte eller en hjerne. Alligevel er Michigan-embryoiderne realistiske nok til, at laboratoriet har ødelagt dem ved hjælp af et bad af vaskemiddel eller formaldehyd for at sikre, at de ikke udvikler sig yderligere.

Arbejdet i Michigan er en del af et større boom inden for organoidforskning – videnskabsmænd bruger stamceller til at skabe klumper af celler, der i stigende grad minder om bits af hjerne, lunger eller tarm (se 10 Breakthrough Technologies: Brain Organoids). Nu finder nogle som Shao ud af, at det er muligt at efterligne selve embryonet. I år byggede forskere i Cambridge, U.K., for eksempel en overbevisende kopi af et seks dage gammelt musefoster ved at kombinere to typer stamceller. Den gruppe forsøger nu at gøre det samme med menneskelige celler, ligesom et par andre, inklusive en på Rockefeller University i New York. Hvad der dukker op, siger videnskabsmænd, er en ny teknologi, som de kalder syntetisk embryologi, og som de mener kan lade dem undersøge de fascinerende åbningskapitler af menneskelig udvikling i detaljer for første gang.

Det har været svært at gøre, fordi normale embryoner ikke bliver ved med at vokse mere end omkring en uge i et laboratorium. Nøglebegivenheder efter det er stort set utilgængelige for videnskaben: de opstår i mørket af den menneskelige livmoder, selv før de fleste kvinder ved, at de er gravide.

En mikrofluidisk enhed brugt ved University of Michigan til at dyrke organoider lavet af embryonale celler. Omkring 10 organoider kan passe inde i hver af de små blå kanaler. Udlånt af University of Michigan

Hvad mere er, er forskning i ægte menneskelige embryoner forfulgt af abortpolitik, begrænset af finansieringslove og begrænset til forsyninger fra IVF-klinikker. Nu, ved at dyrke embryoider i stedet, ser forskerne en vej rundt om sådanne grænser. De frigiver allerede hele rækken af moderne laboratorieværktøjer – genredigering, optogenetik, højhastighedsmikroskoper – på måder, der lader dem gentage et eksperiment hundredvis af gange eller, med genetisk trolddom, stille tusinde spørgsmål på én gang.

Et resultat allerede fra Michigan-teamet: dramatisk nærbillede af stamceller, der selv organiserer sig i strukturer, der efterligner embryoner.

Det er forbløffende, at [stamceller] har denne evne, siger Jianping Fu , professor ved University of Michigan, i hvis ingeniørlaboratorium Shao var studerende. Han siger, at fremkomsten af noget med et embryos form, og nogle af dets funktioner, var en komplet overraskelse; Jeg kan stadig ikke tro det. Men det viser, at disse celler husker, hvad de skal gøre.

Forskere i Michigan har nu planer om at fremstille embryoider i hundredvis. Disse kan bruges til at screene lægemidler for at se, hvilke der forårsager fødselsdefekter, finde andre til at øge chancen for graviditet eller til at skabe udgangsmateriale til laboratoriegenererede organer. Men etiske og politiske skænderier er måske ikke langt tilbage. Dette er en hot ny grænse inden for både videnskab og bioetik. Og det ser ud til, at det vil forblive omstridt i de kommende år, siger Jonathan Kimmelman, medlem af bioetisk enhed ved McGill University i Montreal og leder af en international organisation af stamcelleforskere.

Hvad vokser der egentlig i fadet? Det er der ikke noget let svar på. Faktisk er ingen engang sikker på, hvad de skal kalde disse nye enheder. I marts tilbød et hold fra Harvard University de overordnede syntetiske menneskelige entiteter med embryo-lignende funktioner, eller SHEEFS, i et papir advarer om, at mange nye varianter er i horisonten, herunder realistiske mini-hjerne.

Shao, som fortsætter sin uddannelse på MIT, gravede i det etiske spørgsmål og kom til sine egne konklusioner. Meget tidligt i vores forskning begyndte vi at være opmærksomme på, hvorfor vi gør dette? Er det virkelig nødvendigt? Vi besluttede, ja, vi forsøger at dyrke en struktur, der ligner en del af det tidlige menneskelige embryo, som ellers er svært at studere, siger Shao. Men vi kommer ikke til at generere et komplet menneskeligt embryo. Jeg kan ikke bare overveje mine følelser. Jeg skal tænke på samfundet.

Andre videnskabsmænd er imidlertid fast besluttet på at se, hvor langt videnskaben fører, op til og med at smed det første komplette menneskelige embryo fra stamceller. Det er tilfældet med Ali Brivanlou, en embryolog, der leder et laboratorium på Rockefeller University i New York City. Mit mål er at maksimere modelleringen, in vitro, af menneskelig udvikling, skrev Brivanlou i en e-mail. Derfor vil vi gerne være så nøjagtige som muligt og så fuldstændige som muligt.

At tage form

Embryonale stamceller blev først isoleret fra ledige, dage gamle IVF-embryoner i 1998 af videnskabsmænd i Wisconsin. Tidligt, i de første par dage, er et embryo lidt mere end en masse af disse identiske, blanke tavler, celler. Deres speciale: at lave enhver anden celletype i kroppen. Med øje for eventuelle medicinske behandlinger har virksomheder brugt dem til at producere neuroner og betaceller, der reagerer på insulin. Efterladt alene i et fad vil de spontant blive til hjertemuskel og begynde at slå.

Forskere er begyndt at lede efter måder at lokke stamceller til at danne mere komplicerede, organiserede væv, kaldet organoider. Disse mini-organer er ikke den ægte vare. I stedet er de langt mindre - på størrelse med sandkorn - og ofte mindre sofistikerede. Men de kan stadig have grundlæggende aspekter af f.eks. de forgrenede luftveje og bølgede cilia i en lunge . Sidste år brugte forskere hjerneorganoider til at vise, hvordan Zika-virus kan inficere hjerneceller.

I 2014 begyndte sådanne bestræbelser at give bevis for, at stamceller, hvis de fik de rigtige signaler, direkte kunne genskabe tidlige hændelser i et embryo. Brivanlous laboratorium havde ideen om at samle stamceller i små prikker på en mikromønstret overflade. At indeholde cellerne var med til at føre til en overraskende effekt. De udviklede en organiseret primitiv streak - et træk ved et to uger gammelt menneskeligt embryo, når celler lægger det første antydning af en kropsplan og beslutter, hvilken side der er venstre og højre.

Disse embryoider var ikke naturlige. De var tynde, vokset som et fladt lag, og deres striber var cirkler, ikke linjer som i et ægte embryo. Men det fungerede bedre, end vi troede, siger Aryeh Warmflash, en professor ved Rice University, der kørte eksperimentet, mens han arbejdede på Rockefeller. Det, vi i stigende grad har indset, er, at cellerne er programmeret til at lave et embryo. Det er det, de vil gøre. Hvis celler er i den rigtige form, i den rigtige tæthed, og du giver dem det rigtige signal, tager cellerne bare over derfra, de taler med hinanden.

I Michigan siger Fu, at hans laboratorium, der arbejder med Michigan-biolog Deborah Gumicio, slog på sin egen metode til at lave embryoider næsten ved et uheld, mens han studerede, om mekaniske signaler, som at vokse celler i en gel, der er blød eller klæbrig, kunne forbedre deres evne til at dannes. visse væv.

Et eksperiment involverede at opmuntre tarmceller til at danne en lumen eller hul cyste. Som kontrolforsøg dyrkede de også embryonale stamceller på samme måde. Det var, når serendipity ramte, siger Fu. Stamcellerne polariserede til kugler, der havde lighed med starten af et fosterhule. [Efter] det var, da vi så alle de fascinerende selvorganiserende funktioner, siger Fu.

Etiske spørgsmål

Yderligere test viste, at embryoiderne kun repræsenterede en del af embryoet. Mens de havde begyndelsen af en fostervandssæk, manglede de en hel række af celler, kaldet trophoblast, hvis rolle er at lave moderkagen. Og inde i den klump af celler, der udgør et egentligt embryo, opdagede forskerne kun én af tre nøgletyper, der var nødvendige for at lave en komplet krop.

Da holdet offentliggjorde sine resultater i begyndelsen af august, gik de stort set ubemærket hen. Det skyldes måske, at forskerne omhyggeligt valgte deres ord og anstrengte sig for at undgå sammenligninger med embryoner. Shao begyndte endda at bruge udtrykket asymmetrisk cyste til at beskrive de enheder, der havde overrasket holdet så meget. Vi skal passe på med at bruge udtrykket syntetisk menneskeligt embryo, for nogle mennesker er ikke glade for det, siger Fu.

Et embryoid skabt af stamceller deler nøgletræk med et ægte menneskeligt embryo, som en fostervandssæk, men mangler andre elementer. TILLATELSE FRA YUE SHAO, UNIVERSITY OF MICHIGAN

I øjeblikket observerer forskere i USA og Storbritannien, der arbejder med naturlige menneskelige embryoner, en grænse for deres arbejde kaldet 14-dages reglen. Intet menneskeligt embryo studeres ud over to uger eller tidligere, når den primitive stribe dannes, alt efter hvad der kommer først. Inden da tror ingen, at de har nogen form for sansning og er ude af stand til at føle smerte ifølge Warnock-rapporten fra 1984, der fastlagde reglen.

I årtier har den regel tilbudt en bekvem og klar streg i sandet. Og de samme grænser gælder for embryoider, i det mindste for nu. Efter retningslinjer udstedt sidste år af Kimmelmans internationale stamcellesamfund, ødelægger Fus team cellerne kun fem dage efter, de er lavet. Dette forhindrer strukturerne i at udvikle, hvad bioetikere kalder træk, der giver anledning til bekymring - såsom et primitivt nervesystem.

Men videnskabsmænd er parate til at argumentere for, at deres strukturer ikke er rigtige embryoner, og at de burde være i stand til at strække grænsen. Nogle eksperter opfordrer til en fuldstændig ophør af reglen og siger, at den er forældet. John Aach, en videnskabsmand ved Harvard Medical School, mener, at der vil være behov for helt nye etiske målestokke for at hjælpe med at guide test af organoider. Kunne for eksempel en minihjerne dyrket i laboratoriet på en eller anden måde føle lidelse? Og kan vores definition af et embryo modstå beviser på, at laboratorier kan lave nye sorter, som aldrig før er set? Alle store videnskabelige fremskridt har en måde at afsløre unøjagtigheden af almindelige begreber og tvinge folk til at gentænke dem, siger Aach.

Allerede før hans papir udkom, var Shao i gang med etiske eksperter, herunder Insoo Hyun, professor ved Case Western University, ved en konference i år i Boston. Hyun følte, at den unge forsker var på sikker grund, fordi hans struktur ikke indeholdt alle dele af et embryo. Jeg synes, de skal designe eksperimenter for at fokusere på specifikke spørgsmål og ikke modellere alt, siger Hyun. Mit forslag er, bare ikke lav det hele. Et hold kan lave motoren, et andet hjulene. Jo mindre tvetydigt moralsk det er, du laver, jo mere sandsynligt kan du gøre din forskning uhindret.

Der er endnu en grund til at være forsigtig. USA udelukker i øjeblikket føderal finansiering til enhver undersøgelse af embryoner, uanset hvordan de er lavet, i henhold til en lov kaldet Dickey-Wicker Amendment.

Selvom nutidens embryoider ikke ser ud til at være omfattet af den lovmæssige begrænsning, kan de være det, hvis videnskabsmænd gør dem realistiske nok. Som svar på skriftlige spørgsmål siger det videnskabspolitiske kontor for National Institutes of Health, finansieringsagenturet på 33 milliarder dollars om året, at det har en intern proces, det bruger til at analysere bevillinger og til at afgøre, om foreslået forskning ville skabe en organisme, der opfylder den lovpligtige definition af et menneskeligt embryo.

Michigan-forskerne, hvis projekt brugte midler fra to NIH-bevillinger, siger, at agenturets embedsmænd ikke har rejst nogen indvendinger indtil videre. For nu lever og dør embryoiderne i æsker lavet af lucite og metal og fodres med dyrkningsmedium. På grund af den virkelig tunge ingeniørkomponent til disse enheder, tror jeg, du vil være i stand til at argumentere for, at disse ikke er organismer, siger Hyun. Det er et punkt, som Shao også har forsøgt at understrege. Da Shao præsenterede gruppens arbejde i år, føjede han til sine slides en etisk erklæring skitseret i en lys gul boks, der sagde, at embryoiderne ikke har menneskelig organismeform eller potentiale.

Relateret historie

Men sådanne definitioner kunne være et bevægende mål. Hele pointen med strukturerne er den overraskende, selvstyrende, endog organismemæssige måde, de udvikler sig på. Robert Cork er leder af Virtual Embryo Project, som vedligeholder de billeder, Michigan-teamet brugte til at identificere deres strukturer. Da jeg spurgte ham om Shaos papir, fortalte Cork mig, at embryoiderne kunne fortsætte med at lave nogle af de dele, de mangler i øjeblikket, hvis eksperimenterne fik lov til at udvikle sig. Dette tyder på, at hvis de kan holde cysterne levedygtige i længere tid, kan de gå videre og begynde at udvikle sig til noget mere 'embryo-lignende', siger Cork.

Høj gennemstrømning

Jianping Fu er professor i maskinteknik ved University of Michigan. Udlånt af University of Michigan

Fu siger, at det næste skridt i hans Ann Arbor-laboratorium er at perfektionere procedurer til fremstilling af embryoider med specifikke egenskaber og i større antal. Til at begynde med, af hver 100 cyster, som Michigan-forskerne voksede, endte kun fem med den asymmetriske form, der minder om fostersækken. Men de har allerede lært, hvordan man får den form til at dukke op hver gang. Produktionen af embryoider vil blive programmerbar og skalerbar, forudser Fu.

Lægemidler kunne testes på embryoider, for eksempel for at markere alle, der har toksiske virkninger og forårsager fødselsdefekter. Fus håb er, at syntetisk embryologi i sidste ende kan hjælpe ingeniører med at dyrke komplette menneskelige organer. Jeg taler ikke om en menneskekrop uden hjerne. Men hvad der er en sand mulighed er, at du kan udvikle en mini-tarm eller en mini-lever, da embryoet også udvikler dem. Og hvis du har de primitive organer, kan de vokse til et funktionelt, forudsiger Fu. Laboratoriet er begyndt at dyrke embryoider på en chip på størrelse med et kreditkort. Ætset ind i det er seks mikrokanaler, der hver rummer 10 af enhederne, som er suspenderet i hydrogeler og fodret med næringsstoffer holdt i miniaturespande. Fu kalder det high-throughput fremstilling.

211service.com