ตัวอ่อน 'สังเคราะห์' ที่มีสมองและหัวใจเต้นเติบโตจากสเต็มเซลล์หลายเซลล์

ทีมงานที่นำโดยศาสตราจารย์ Magdalena Zernicka-Goetz ได้พัฒนาแบบจำลองตัวอ่อนที่ไม่มีไข่หรือสเปิร์ม และใช้สเต็มเซลล์ซึ่งเป็นเซลล์หลักของร่างกายแทน ซึ่งสามารถพัฒนาเป็นเซลล์ได้เกือบทุกชนิดในร่างกาย นักวิจัยได้เลียนแบบกระบวนการทางธรรมชาติในห้องแล็บโดยแนะนำเซลล์ต้นกำเนิดสามชนิดที่พบในการพัฒนาของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในระยะแรกจนถึงจุดที่พวกมันเริ่มมีปฏิสัมพันธ์ ด้วยการกระตุ้นการแสดงออกของยีนชุดใดชุดหนึ่งและสร้างสภาพแวดล้อมเฉพาะสำหรับปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน นักวิจัยจึงสามารถให้สเต็มเซลล์สามารถ 'พูดคุย' ซึ่งกันและกันได้ สเต็มเซลล์จัดตัวเองเป็นโครงสร้างที่พัฒนาไปตามขั้นตอนพัฒนาการต่อเนื่องจนกระทั่งมีหัวใจเต้นและฐานรากของสมอง เช่นเดียวกับถุงไข่แดงที่ตัวอ่อนพัฒนาและได้รับสารอาหารตั้งแต่สัปดาห์แรก แตกต่างจากตัวอ่อนสังเคราะห์อื่นๆ โมเดลที่พัฒนาโดยเคมบริดจ์มาถึงจุดที่สมองทั้งหมดรวมถึงส่วนหน้าเริ่มพัฒนา นี่เป็นจุดในการพัฒนาที่ล้ำหน้ากว่าที่ประสบความสำเร็จในแบบจำลองที่ได้จากสเต็มเซลล์อื่นๆ ทีมงานกล่าวว่าผลลัพธ์ของพวกเขา ซึ่งเป็นผลจากการวิจัยกว่าทศวรรษที่นำไปสู่โครงสร้างคล้ายตัวอ่อนที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ และรายงานในวารสารNatureสามารถช่วยให้นักวิจัยเข้าใจว่าทำไมตัวอ่อนบางตัวถึงล้มเหลว ในขณะที่ตัวอื่นๆ พัฒนาต่อไปเป็น การตั้งครรภ์ที่แข็งแรง นอกจากนี้ยังสามารถใช้ผลลัพธ์เพื่อเป็นแนวทางในการซ่อมแซมและพัฒนาอวัยวะมนุษย์สังเคราะห์สำหรับการปลูกถ่าย Zernicka-Goetz ศาสตราจารย์ด้านพัฒนาการของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและชีววิทยาเซลล์ต้นกำเนิดของ Cambridge's Department of Physiology, Development กล่าวว่า "แบบจำลองตัวอ่อนของหนูของเราไม่เพียงแต่พัฒนา สมอง เท่านั้น แต่ยังรวมถึงหัวใจที่เต้นด้วย ซึ่งเป็นส่วนประกอบทั้งหมดที่สร้างร่างกายขึ้นมา และประสาทวิทยาศาสตร์ "ไม่น่าเชื่อว่าเรามาไกลถึงเพียงนี้ นี่เป็นความฝันของชุมชนของเรามานานหลายปี และเป็นจุดสนใจหลักในการทำงานของเรามานานนับสิบปี และในที่สุดเราก็ทำสำเร็จ" เพื่อให้ตัวอ่อนของมนุษย์พัฒนาได้สำเร็จ จำเป็นต้องมี 'บทสนทนา' ระหว่างเนื้อเยื่อที่จะเป็นตัวอ่อนกับเนื้อเยื่อที่จะเชื่อมต่อตัวอ่อนกับแม่ ในสัปดาห์แรกหลังการปฏิสนธิ สเต็มเซลล์สามชนิดจะพัฒนา: ชนิดหนึ่งจะกลายเป็นเนื้อเยื่อของร่างกายในที่สุด และอีกสองชนิดช่วยสนับสนุนการพัฒนาของเอ็มบริโอ หนึ่งในสเต็มเซลล์นอกเซลล์เหล่านี้จะกลายเป็นรกซึ่งเชื่อมต่อทารกในครรภ์กับแม่และให้ออกซิเจนและสารอาหาร และอย่างที่สองคือถุงไข่แดง ซึ่งเป็นที่ที่เอ็มบริโอเติบโตและได้รับสารอาหารจากการพัฒนาในระยะแรก การตั้งครรภ์หลายครั้งล้มเหลวเมื่อสเต็มเซลล์ทั้งสามชนิดเริ่มส่งสัญญาณเชิงกลและทางเคมีถึงกัน ซึ่งจะบอกตัวอ่อนถึงวิธีการพัฒนาอย่างเหมาะสม Zernicka-Goetz ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาและวิศวกรรมชีวภาพของคาลเทคกล่าวว่า "การตั้งครรภ์หลายครั้งล้มเหลวในช่วงเวลานี้ ก่อนที่ผู้หญิงส่วนใหญ่จะรู้ตัวว่าตั้งครรภ์" "ช่วงเวลานี้เป็นรากฐานสำหรับทุกสิ่งทุกอย่างที่ตามมาในการตั้งครรภ์ หากผิดพลาด การตั้งครรภ์จะล้มเหลว" ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา กลุ่มของศาสตราจารย์ Zernicka-Goetz ในเคมบริดจ์ได้ศึกษาระยะแรกสุดของการตั้งครรภ์ เพื่อที่จะเข้าใจว่าทำไมการตั้งครรภ์บางอย่างถึงล้มเหลวและบางอย่างก็ประสบความสำเร็จ Zernicka-Goetz กล่าวว่า "แบบจำลองเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนมีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้เราสามารถเข้าถึงโครงสร้างที่กำลังพัฒนาในระยะที่ปกติแล้วจะถูกซ่อนไว้จากเราเนื่องจากการฝังตัวอ่อนขนาดเล็กลงในครรภ์มารดา" Zernicka-Goetz กล่าว "การเข้าถึงนี้ช่วยให้เราสามารถจัดการยีนเพื่อทำความเข้าใจบทบาทการพัฒนาของพวกมันในระบบการทดลองแบบจำลอง" เพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาตัวอ่อนสังเคราะห์ นักวิจัยได้รวบรวมสเต็มเซลล์ที่เพาะเลี้ยงซึ่งเป็นตัวแทนของเนื้อเยื่อแต่ละชนิดจากสามชนิดในสัดส่วนและสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม เพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตและการสื่อสารระหว่างกัน นักวิจัยพบว่าเซลล์ extraembryonic ส่งสัญญาณไปยังเซลล์ตัวอ่อนด้วยสัญญาณทางเคมี แต่ยังใช้กลไกหรือผ่านการสัมผัสเพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาของตัวอ่อน "ช่วงเวลานี้ของชีวิตมนุษย์นั้นลึกลับมาก ดังนั้นเพื่อที่จะได้เห็นว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไรในจาน - เพื่อเข้าถึงสเต็มเซลล์แต่ละตัวเหล่านี้ เพื่อทำความเข้าใจว่าเหตุใดการตั้งครรภ์จำนวนมากจึงล้มเหลว และเราจะสามารถป้องกันสิ่งนั้นได้อย่างไร ที่เกิดขึ้น -- ค่อนข้างพิเศษ" Zernicka-Goetz กล่าว "เราดูบทสนทนาที่ต้องเกิดขึ้นระหว่างสเต็มเซลล์ประเภทต่างๆ ในเวลานั้น เราได้แสดงให้เห็นว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไรและมันจะผิดพลาดได้อย่างไร" ความก้าวหน้าที่สำคัญในการศึกษานี้คือความสามารถในการสร้างสมองทั้งหมด โดยเฉพาะส่วนหน้า ซึ่งเป็นเป้าหมายหลักในการพัฒนาตัวอ่อนสังเคราะห์ สิ่งนี้ใช้ได้ผลกับระบบของ Zernicka-Goetz เพราะสมองส่วนนี้ต้องการสัญญาณจากเนื้อเยื่อภายนอกเซลล์ใดเซลล์หนึ่งเพื่อให้สามารถพัฒนาได้ ทีมงานคิดว่าสิ่งนี้อาจเกิดขึ้นจากการศึกษาในปี 2018 และ 2021 ซึ่งใช้เซลล์ส่วนประกอบเดียวกันเพื่อพัฒนาเป็นตัวอ่อนในระยะก่อนหน้านี้เล็กน้อย ตอนนี้ ด้วยการผลักดันการพัฒนาต่อไปอีกเพียง 1 วัน พวกเขาสามารถพูดได้อย่างชัดเจนว่าแบบจำลองของพวกเขาเป็นตัวแรกที่ส่งสัญญาณการพัฒนาของสมองส่วนหน้า และอันที่จริงคือสมองทั้งหมด Zernicka-Goetz กล่าวว่า "นี่เป็นการเปิดโอกาสใหม่ในการศึกษากลไกการพัฒนาระบบประสาทในรูปแบบการทดลอง "ในความเป็นจริง เราแสดงให้เห็นถึงข้อพิสูจน์ของหลักการนี้ในเอกสารนี้โดยการกำจัดยีนที่ทราบอยู่แล้วว่าจำเป็นต่อการสร้างท่อประสาท สารตั้งต้นของระบบประสาท และการพัฒนาสมองและดวงตา ในกรณีที่ไม่มียีนนี้ เอ็มบริโอสังเคราะห์แสดงข้อบกพร่องที่ทราบกันดีในการพัฒนาสมองเช่นเดียวกับในสัตว์ที่มีการกลายพันธุ์นี้ ซึ่งหมายความว่าเราสามารถเริ่มใช้แนวทางแบบนี้กับยีนหลายตัวที่ไม่ทราบหน้าที่ในการพัฒนาสมองได้" ในขณะที่การวิจัยในปัจจุบันดำเนินการในแบบจำลองของเมาส์ นักวิจัยกำลังพัฒนาแบบจำลองของมนุษย์ที่คล้ายกัน โดยมีศักยภาพที่จะมุ่งไปสู่การสร้างอวัยวะเฉพาะประเภท เพื่อทำความเข้าใจกลไกเบื้องหลังกระบวนการสำคัญที่มิฉะนั้นจะเป็นไปไม่ได้ในการศึกษาในตัวอ่อนจริง ปัจจุบัน กฎหมายของสหราชอาณาจักรอนุญาตให้ทำการศึกษาตัวอ่อนของมนุษย์ในห้องปฏิบัติการได้จนถึงวันที่ 14 ของการพัฒนา เท่านั้น หากวิธีการที่พัฒนาโดยทีมของ Zernicka-Goetz แสดงให้เห็นว่าประสบความสำเร็จกับสเต็มเซลล์ของมนุษย์ในอนาคต ก็อาจใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาอวัยวะสังเคราะห์สำหรับผู้ป่วยที่รอการปลูกถ่ายได้ Zernicka-Goetz กล่าวว่า "มีคนจำนวนมากทั่วโลกที่รอการปลูกถ่ายอวัยวะเป็นเวลาหลายปี "สิ่งที่ทำให้งานของเราน่าตื่นเต้นมากก็คือความรู้ที่ออกมาจากมันสามารถนำไปใช้ปลูกอวัยวะมนุษย์สังเคราะห์ที่ถูกต้องเพื่อรักษาชีวิตที่สูญเสียไปในปัจจุบันได้ นอกจากนี้ยังควรเป็นไปได้ที่จะส่งผลกระทบต่อและรักษาอวัยวะของผู้ใหญ่โดยใช้ความรู้ที่เรามีใน วิธีการทำ "นี่เป็นก้าวที่เหลือเชื่อและใช้เวลา 10 ปีในการทำงานหนักของสมาชิกในทีมของฉัน ฉันไม่เคยคิดเลยว่าเราจะมาถึงจุดนี้ คุณไม่เคยคิดว่าความฝันของคุณจะเป็นจริง แต่พวกเขาก็ทำสำเร็จ"