Stammzellen sind unspezialisierte Zellen, die zu reifen Zellen mit speziellen Funktionen manipuliert werden können.
„Unser Maus-Embryo-Modell entwickelt nicht nur ein Gehirn, sondern auch ein schlagendes Herz, alle Komponenten, aus denen der Körper besteht“, sagte die Hauptautorin der Studie, Magdalena Zernicka-Goetz, Professorin für Säugetierentwicklung und Stammzellbiologie an der Universität von Cambridge im Vereinigten Königreich.
„Es ist einfach unglaublich, dass wir so weit gekommen sind. Das war jahrelang der Traum unserer Community und seit einem Jahrzehnt ein Schwerpunkt unserer Arbeit, und endlich haben wir es geschafft.“
Das Papier ist ein spannender Fortschritt und geht eine Herausforderung an, vor der Wissenschaftler stehen, wenn sie Säugetierembryonen im Uterus untersuchen, sagte Marianne Bronner, Professorin für Biologie am California Institute of Technology in Pasadena (Caltech). Bronner war nicht an der Studie beteiligt.
“Diese entwickeln sich außerhalb der Mutter und können daher leicht durch kritische Entwicklungsstadien visualisiert werden, die zuvor schwer zugänglich waren”, fügte Bronner hinzu.
Die Forscher hoffen, von Mausembryos zu Modellen natürlicher menschlicher Schwangerschaften übergehen zu können – von denen viele in den frühen Stadien scheitern, sagte Zernicka-Goetz.
Durch die Beobachtung der Embryonen in einem Labor statt in einer Gebärmutter erhielten die Wissenschaftler einen besseren Einblick in den Prozess, um zu erfahren, warum manche Schwangerschaften scheitern könnten und wie man dies verhindern kann, fügte sie hinzu.
Bisher konnten die Forscher nur etwa acht Tage der Entwicklung in den synthetischen Mausembryos verfolgen, aber der Prozess verbessert sich und sie lernen bereits viel, sagte Studienautor Gianluca Amadei, Postdoktorand an der Universität Cambridge.
„Sie offenbart die grundlegenden Voraussetzungen, die erfüllt sein müssen, um den Embryo mit seinen Organen richtig aufzubauen“, sagt Zernicka-Goetz.
Wo es steht, gilt die Forschung nicht für Menschen und „es muss ein hohes Maß an Verbesserung geben, damit dies wirklich nützlich ist“, sagte Benoit Bruneau, Direktor des Gladstone Institute of Cardiovascular Disease und leitender Forscher bei Gladstone Institute. Bruneau war an der Studie nicht beteiligt.
Doch Forscher sehen wichtige Anwendungen für die Zukunft. Das Verfahren könne sofort genutzt werden, um neue Medikamente zu testen, sagte Zernicka-Goetz. Aber längerfristig, wenn Wissenschaftler von synthetischen Mausembryonen zu einem menschlichen Embryonenmodell wechseln, könnte dies auch dazu beitragen, synthetische Organe für Menschen zu bauen, die Transplantationen benötigen, fügte Zernicka-Goetz hinzu.
„Ich sehe diese Arbeit als das erste Beispiel für eine Arbeit dieser Art“, sagte Studienautor David Glover, Forschungsprofessor für Biologie und Bioingenieurwesen am Caltech.
Wie sie es gemacht haben
In der Gebärmutter benötigt ein Embryo drei Arten von Stammzellen, um sich zu bilden: Eine wird zum Körpergewebe, eine andere zum Beutel, in dem sich der Embryo entwickelt, und die dritte zur Plazenta, die Elternteil und Fötus verbindet, so die Studie.
Im Labor von Zernicka-Goetz isolierten die Forscher die drei Arten von Stammzellen aus Embryonen und kultivierten sie in einem Behälter, der abgewinkelt war, um die Zellen zusammenzubringen und die Wechselwirkung zwischen ihnen zu fördern.
Tag für Tag konnten sie sehen, wie sich die Zellgruppe zu einer immer komplexeren Struktur formte, sagte sie.
Es seien ethische und rechtliche Überlegungen anzustellen, bevor man zu menschlichen synthetischen Embryonen übergehe, sagte Zernicka-Goetz. Und mit dem Unterschied in der Komplexität zwischen Maus- und menschlichen Embryonen könnte es Jahrzehnte dauern, bis Forscher in der Lage sind, einen ähnlichen Prozess für menschliche Modelle durchzuführen, sagte Bronner.
Aber in der Zwischenzeit könnten die aus den Mausmodellen gewonnenen Informationen dazu beitragen, „versagende Gewebe und Organe zu korrigieren“, sagte Zernicka-Goetz.
Das Geheimnis des menschlichen Lebens
Die ersten Wochen nach der Befruchtung bestehen aus diesen drei verschiedenen Stammzellen, die chemisch und mechanisch miteinander kommunizieren, damit der Embryo richtig wachsen kann, so die Studie.
„Um diese Zeit scheitern so viele Schwangerschaften, bevor die meisten Frauen (erkennen), dass sie schwanger sind“, sagte Zernicka-Goetz, die auch Professorin für Biologie und Bioingenieurwesen am Caltech ist. “Diese Zeit ist die Grundlage für alles, was in der Schwangerschaft folgt. Wenn es schief geht, wird die Schwangerschaft scheitern.”
Aber zu diesem Zeitpunkt ist ein durch In-vitro-Fertilisation erzeugter Embryo bereits in den Elternteil implantiert, sodass Wissenschaftler nur begrenzte Einblicke in die Prozesse haben, die er durchläuft, sagte Zernicka-Goetz.
Sie waren in der Lage, Grundlagen eines Gehirns zu entwickeln – eine Premiere für Modelle wie dieses und ein „heiliger Gral für das Feld“, sagte Glover.
„Dieser Abschnitt des menschlichen Lebens ist so mysteriös, also in der Lage zu sein, zu sehen, wie es in einer Schale passiert – Zugang zu diesen einzelnen Stammzellen zu haben, zu verstehen, warum so viele Schwangerschaften scheitern und wie wir das verhindern können passiert – ist etwas ganz Besonderes”, sagte Zernicka-Goetz in einer Pressemitteilung. „Wir haben uns den Dialog angesehen, der damals zwischen den verschiedenen Stammzelltypen stattfinden muss – wir haben gezeigt, wie er abläuft und wie er schiefgehen kann.“