Mākslīgie cilvēka embriji nāk, un neviens nezina, kā ar tiem rīkoties

PĒC ARYEH WARMFLASH, RICE UNIVERSITY Pieklājīgi no Aryeh Warmflash, Rīsu universitātes.

Jue Šao neko tādu nebija redzējis.

Pirms diviem gadiem Šao, mašīnbūves inženieris, kuram ir bioloģijas nojauta, strādāja ar embriju cilmes šūnām, kas iegūtas no cilvēka embrijiem, kas spēj veidot jebkura veida šūnas. Eksperimentējot ar veidiem, kā panākt, lai šūnas veidotu sakārtotākas trīsdimensiju struktūras, audzējot tās mīksta gēla sastatnēs, viņš meklēja primitīvu nervu audu pazīmes.

Viņa uzmanību pievērsa tas, ka šūnas, šķiet, mainījās daudz ātrāk, nekā gaidīts — tās dažu dienu laikā ātri sakārtojās slīpā lokā.

Kas tas bija? Šao pārsteidza Google meklēšanu, lai noskaidrotu, vai viņš var identificēt struktūru. Toreiz viņš nokļuva vietnē The Virtuālais cilvēka embrijs un atrada dažas mikroskopa fotogrāfijas ar desmit dienu veciem cilvēka embrijiem neilgi pēc implantācijas, kas bija sapludināti ar dzemdes sieniņu. Bija amnija maisa sākums un tā iekšpusē embrija disks jeb nākotnes ķermenis. Tie atbilda tam, ko viņš redzēja.

Šajā mikroskopa filmā, kas filmēta četras dienas, cilmes šūnas pašorganizējas tādā veidā, kas atdarina cilvēka embriju. Ar Mičiganas universitātes atļauju

Šao informēja savus kolēģus, jauktu biologu un inženieru komandu Mičiganas Universitātē. Kad es parādīju attēlu komandai, visi teica: Oho, mums ir jāizdomā, ko darīt, saka Šao. Vai viņi kaut kā no cilmes šūnām bija izveidojuši īstu cilvēka embriju? Tajā brīdī mēs sākām būt piesardzīgāki.

Embrijiem līdzīgās struktūras, kā drīz vien noteica komanda, nav pilnīgas un nevarēja kļūt par personu. Viņiem trūkst šūnu tipu, kas nepieciešami placentas, sirds vai smadzeņu izveidošanai. Neskatoties uz to, Mičiganas embrioīdi ir pietiekami reāli, lai laboratorija tos iznīcina, izmantojot mazgāšanas līdzekļa vai formaldehīda vannu, lai nodrošinātu, ka tie vairs neattīstās.

Darbs Mičiganā ir daļa no lielāka uzplaukuma organoīdu pētījumos — zinātnieki izmanto cilmes šūnas, lai izveidotu šūnu kopas, kas arvien vairāk atgādina smadzeņu, plaušu vai zarnu daļiņas (skatiet sadaļu 10 izrāvienu tehnoloģijas: smadzeņu organoīdi). Tagad daži, piemēram, Šao, atklāj, ka ir iespējams atdarināt pašu embriju. Šogad, piemēram, pētnieki Kembridžā, Apvienotajā Karalistē, uzcēla a pārliecinoša sešas dienas veca peles embrija kopija apvienojot divu veidu cilmes šūnas. Šī grupa tagad mēģina darīt to pašu ar cilvēka šūnām, tāpat kā dažas citas, tostarp viena Rokfellera universitātē Ņujorkā. Zinātnieki saka, ka parādās jauna tehnoloģija, ko viņi sauc par sintētisko embrioloģiju un kas, viņuprāt, var ļaut viņiem pirmo reizi detalizēti izpētīt aizraujošās sākumdaļas par cilvēka attīstību.

To ir bijis grūti izdarīt, jo normāli embriji laboratorijā neaug ilgāk par nedēļu. Galvenie notikumi pēc tam zinātnei lielākoties nav pieejami: tie notiek cilvēka dzemdes tumsā pat pirms lielākā daļa sieviešu uzzina, ka ir stāvoklī.

Mikrofluidiska ierīce, ko izmanto Mičiganas Universitātē, lai kultivētu organoīdus, kas izgatavoti no embriju šūnām. Katrā mazajā zilajā kanālā var ietilpt aptuveni 10 organoīdi. Ar Mičiganas universitātes atļauju

Turklāt pētniecību par īstiem cilvēka embrijiem kavē abortu politika, to ierobežo finansēšanas likumi, un tie attiecas tikai uz piegādēm no IVF klīnikām. Tagad, tā vietā audzējot embrijus, zinātnieki redz veidu, kā apiet šādus ierobežojumus. Viņi jau laiž vaļā pilnu mūsdienu laboratorijas rīku komplektu — gēnu rediģēšanu, optoģenētiku, ātrdarbīgus mikroskopus — tādā veidā, kas ļauj eksperimentu atkārtot simtiem reižu vai, izmantojot ģenētisko burvību, uzdot tūkstoš jautājumu uzreiz.

Viens rezultāts jau no Mičiganas komandas: dramatisks tuvplāna video ar cilmes šūnām, kas pašorganizējas struktūrās, kas atdarina embrijus.

Tas ir pārsteidzoši, ka [cilmes šūnām] ir šāda iespēja, saka Dzjaņpins Fu , Mičiganas Universitātes profesors, kura inženierzinātņu laboratorijā Šao bija students. Viņš saka, ka kaut kas ar embrija formu un dažām tā iezīmēm bija pilnīgs pārsteigums; Es joprojām nespēju tam noticēt. Bet tas parāda, ka šīs šūnas atceras, kas tām ir jādara.

Mičiganas zinātnieki tagad plāno ražot embrijus simtiem. Tos varētu izmantot, lai pārbaudītu zāles, lai noskaidrotu, kuri izraisa iedzimtus defektus, atrastu citas, kas palielinātu grūtniecības iespējamību, vai lai izveidotu izejmateriālu laboratorijā radītiem orgāniem. Taču ētiski un politiski strīdi var nebūt tālu aiz muguras. Šī ir karsta jauna robeža gan zinātnē, gan bioētikā. Un šķiet, ka nākamajos gados tas joprojām būs strīdīgs, saka Džonatans Kimmelmans, Monreālas Makgila universitātes bioētikas nodaļas loceklis un starptautiskas cilmes šūnu zinātnieku organizācijas vadītājs.

Kas īsti traukā aug? Uz to nav vienkāršas atbildes. Patiesībā neviens pat nav pārliecināts, kā nosaukt šīs jaunās vienības. Martā komanda no Hārvardas universitātes piedāvāja visaptverošas sintētiskas cilvēka būtnes ar embrijam līdzīgām iezīmēm jeb SHEEFS, papīrā brīdinot, ka pie apvāršņa ir daudz jaunu šķirņu, tostarp reālistiskas mini smadzenes.

Šao, kurš turpina mācības MIT, iedziļinājās ētikas jautājumā un nonāca pie saviem secinājumiem. Ļoti agri mūsu pētījuma laikā mēs sākām pievērst uzmanību tam, kāpēc mēs to darām? Vai tas tiešām ir vajadzīgs? Mēs nolēmām, jā, mēs cenšamies izaudzēt struktūru, kas ir līdzīga daļai no cilvēka agrīnā embrija, kuru citādi ir grūti izpētīt, saka Šao. Bet mēs negrasāmies radīt pilnīgu cilvēka embriju. Es nevaru ņemt vērā tikai savas jūtas. Man ir jādomā par sabiedrību.

Tomēr citi zinātnieki ir apņēmības pilni redzēt, cik tālu zinātne ved, līdz pat pirmā pilnīga cilvēka embrija kalšanai no cilmes šūnām. Tas attiecas uz Ali Brivanlou, embriologu, kurš vada laboratoriju Rokfellera universitātē Ņujorkā. Mans mērķis ir maksimāli palielināt cilvēka attīstības modelēšanu in vitro, Brivanlou rakstīja e-pastā. Tāpēc mēs vēlētos būt pēc iespējas precīzāki un pēc iespējas pilnīgāki.

Pieņem formu

Viskonsinas zinātnieki 1998. gadā pirmo reizi izdalīja embrionālās cilmes šūnas no rezerves, vairākas dienas veciem IVF embrijiem. Sākotnēji, savās pirmajās dienās, embrijs ir nedaudz vairāk par šo identisku, tukšu šūnu masu. Viņu specialitāte: jebkura cita veida šūnu veidošana organismā. Ņemot vērā iespējamo medicīnisko ārstēšanu, uzņēmumi ir izmantojuši tos, lai ražotu neironus un beta šūnas, kas reaģē uz insulīnu. Atstātas vienatnē traukā, tās spontāni pārtaps sirds muskuļos un sāks pukstēt.

Zinātnieki ir sākuši meklēt veidus, kā pierunāt cilmes šūnas, lai veidotu sarežģītākus, organizētus audus, ko sauc par organoīdiem. Šie mazie orgāni nav īstie. Tā vietā tie ir daudz mazāki — smilšu graudu lielumā — un bieži vien mazāk izsmalcināti. Bet tiem joprojām var būt pamata aspekti, piemēram, atzarojošie elpceļi un viļņotas plaušu skropstas . Pagājušajā gadā pētnieki izmantoja smadzeņu organoīdus, lai parādītu, kā Zikas vīruss var inficēt smadzeņu šūnas.

Līdz 2014. gadam šādi centieni sāka gūt pierādījumus tam, ka cilmes šūnas, ja tiek sniegtas pareizas norādes, varētu tieši atjaunot agrīnos notikumus embrijā. Brivanlou laboratorijā radās ideja par cilmes šūnu salikšanu sīkos punktiņos uz mikrorakstu virsmas. Šūnu saturs palīdzēja radīt pārsteidzošu efektu. Viņi izveidoja organizētu primitīvu svītru — divas nedēļas veca cilvēka embrija pazīmi, kad šūnas sniedz pirmo mājienu par ķermeņa plānu, izlemjot, kura puse ir kreisā, kura ir labā.

Šie embrioīdi nebija dabiski. Tie bija plāni, izauguši kā plakana lapa, un to svītras bija apļi, nevis līnijas kā īstā embrijā. Bet tas darbojās labāk, nekā mēs domājām, saka Aryeh Warmflash, Raisa universitātes profesors, kurš vadīja eksperimentu, strādājot Rokfellerā. Mēs arvien vairāk esam sapratuši, ka šūnas ir ieprogrammētas, lai izveidotu embriju. Tas ir tas, ko viņi vēlas darīt. Ja šūnas ir pareizā formā, pareizajā blīvumā un jūs dodat tām pareizo signālu, šūnas vienkārši pārņem no turienes, tās runā viena ar otru.

Mičiganā Fu saka, ka viņa laboratorija, sadarbojoties ar Mičiganas biologi Deboru Gumicio, gandrīz nejauši trāpīja uz savu embriju veidošanas metodi, pētot, vai mehāniskie signāli, piemēram, šūnu augšana mīkstā vai lipīgā gēlā, varētu uzlabot to spēju veidoties. noteikti audi.

Viens eksperiments ietvēra zarnu šūnu mudināšanu veidot lūmenu jeb dobu cistu. Kā kontroles eksperiments viņi tādā pašā veidā kultivēja arī embriju cilmes šūnas. Tieši tad piemeklēja serendipitāte, saka Fu. Cilmes šūnas polarizējās sfērās, kurām bija līdzība ar amnija dobuma sākumu. [Pēc tam] mēs redzējām visas aizraujošās pašorganizējošās funkcijas, saka Fu.

Ētikas jautājumi

Papildu testi parādīja, ka embrioīdi pārstāvēja tikai daļu no embrija. Kamēr viņiem bija amnija maisa sākums, viņiem trūka veselas šūnu līnijas, ko sauc par trofoblastiem, kuru uzdevums ir izveidot placentu. Šūnu pudurī, kas veido īstu embriju, pētnieki atklāja tikai vienu no trim galvenajiem veidiem, kas nepieciešami pilnīga ķermeņa izveidošanai.

Kad komanda augusta sākumā publicēja savus atklājumus, tie lielākoties palika nepamanīti. Iespējams, tas ir tāpēc, ka zinātnieki rūpīgi izvēlējās vārdus, cenšoties izvairīties no salīdzināšanas ar embrijiem. Šao pat sāka lietot terminu asimetriska cista, lai aprakstītu vienības, kas bija tik ļoti pārsteigušas komandu. Mums ir jābūt uzmanīgiem, lietojot terminu sintētisks cilvēka embrijs, jo daži cilvēki par to nav apmierināti, saka Fu.

No cilmes šūnām izveidotajam embrioīdam ir kopīgas galvenās iezīmes ar īstu cilvēka embriju, piemēram, amnija maisiņu, taču tam trūkst citu elementu. AR MICHIGANAS UNIVERSITĀTES YUE SHAO ATKLĀTĀJĀM

Pašlaik ASV un Apvienotās Karalistes zinātnieki, kas strādā ar dabiskajiem cilvēka embrijiem, ievēro ierobežojumu savam darbam, ko sauc par 14 dienu likumu. Neviens cilvēka embrijs netiek pētīts ilgāk par divām nedēļām vai pagātnē, kad veidojas primitīva svītra, atkarībā no tā, kas notiek ātrāk. Saskaņā ar 1984. gada Vornoka ziņojumu, kurā tika nostiprināts noteikums, pirms tam neviens nedomāja, ka viņiem ir kaut kāds jūtīgums un viņi nav spējīgi sajust sāpes.

Gadu desmitiem šis noteikums ir piedāvājis ērtu un skaidru līniju smiltīs. Un tādi paši ierobežojumi tiek piemēroti embrioīdiem, vismaz pagaidām. Ievērojot vadlīnijas, kuras pagājušajā gadā izsludināja Kimmelmana starptautiskā cilmes šūnu biedrība, Fu komanda iznīcina šūnas tikai piecas dienas pēc to izgatavošanas. Tas neļauj struktūrām attīstīties, ko bioētiķi dēvē par bažām, piemēram, primitīvu nervu sistēmu.

Taču zinātnieki ir gatavi iebilst, ka viņu struktūras nav īsti embriji un ka viņiem jāspēj pagarināt robežas. Daži eksperti aicina pilnībā izbeigt noteikumu, sakot, ka tas ir novecojis. Hārvardas Medicīnas skolas zinātnieks Džons Āhs domā, ka būs nepieciešami pilnīgi jauni ētiski mērstieņi, lai palīdzētu vadīt organoīdu testus. Piemēram, vai mazās smadzenes, kas audzētas laboratorijā, varētu izjust ciešanas? Un vai mūsu embrija definīcija var izturēt pierādījumus tam, ka laboratorijas var radīt jaunus, vēl neredzētus veidus? Visiem lielajiem zinātnes sasniegumiem ir veids, kā atklāt kopējo koncepciju neprecizitāti un piespiest cilvēkus tos pārdomāt, saka Āhs.

Pat pirms sava raksta iznākšanas Šao šogad konferencē Bostonā spieda pogcauruļus ētikas ekspertus, tostarp Case Western universitātes profesoru Insū Hjunu. Hyun juta, ka jaunais pētnieks atrodas drošā vietā, jo viņa struktūrā nebija visas embrija daļas. Es domāju, ka viņiem vajadzētu izstrādāt eksperimentus, lai koncentrētos uz konkrētiem jautājumiem, nevis modelētu visu, saka Hyun. Mans priekšlikums ir, vienkārši nedariet visu. Viena komanda var izgatavot dzinēju, cita – riteņus. Jo mazāk neskaidra ir jūsu rīcība morāli, jo lielāka iespēja, ka jūs varat netraucēti veikt pētījumu.

Ir vēl viens iemesls būt piesardzīgiem. Saskaņā ar likumu, ko sauc par Dikija-Vikera grozījumu, ASV pašlaik aizliedz federālo finansējumu jebkurai embriju izpētei neatkarīgi no to izgatavošanas veida.

Lai gan šķiet, ka uz mūsdienu embrioīdiem neattiecas juridiskie ierobežojumi, tie varētu būt, ja zinātnieki tos padarīs pietiekami reālistiskus. Atbildot uz rakstiskiem jautājumiem, Nacionālo veselības institūtu zinātnes politikas birojs, kas ir 33 miljardus ASV dolāru gadā izmaksājošā finansējuma aģentūra, saka, ka tam ir iekšējs process, ko tas izmanto, lai analizētu dotācijas un noteiktu, vai ierosinātie pētījumi radītu organismu, kas atbilst likumā noteiktajai cilvēka embrija definīcijai.

Mičiganas zinātnieki, kuru projektā tika izmantoti līdzekļi no divām NIH dotācijām, apgalvo, ka aģentūras amatpersonas līdz šim nav izteikušas nekādus iebildumus. Pagaidām embrioīdi dzīvo un mirst no lucīta un metāla izgatavotās kastēs un tiek baroti ar barotni. Tā kā šīm vienībām ir ļoti smags inženiertehniskais komponents, es domāju, ka jūs varēsit apgalvot, ka tie nav organismi, saka Hjuna. Šo punktu ir mēģinājis uzsvērt arī Šao. Kad Šao prezentēja grupas darbu šogad, viņš saviem slaidiem pievienoja ētikas paziņojumu, kas iezīmēts spilgti dzeltenā lodziņā, sakot, ka embrioīdiem nav cilvēka organisma formas vai potenciāla.

Saistīts stāsts

Saistīts stāsts

Taču šādas definīcijas varētu būt kustīgs mērķis. Struktūru būtība ir pārsteidzošajā, uz sevi vērstajā, pat organismam raksturīgajā veidā, kā tās attīstās. Roberts Korks ir Virtual Embryo Project vadītājs, kas uztur attēlus, ko Mičiganas komanda izmantoja, lai identificētu savas struktūras. Kad es viņam jautāju par Šao papīru, Korks man teica, ka embrioīdi varētu turpināt izgatavot dažas no tām daļām, kuras tiem pašlaik trūkst, ja eksperimentiem tiks ļauts progresēt. Tas liek domāt, ka, ja tās spēs saglabāt cistas dzīvotspējīgas ilgāk, tās varētu turpināties un sākt attīstīties par kaut ko vairāk 'embrijiem līdzīgu', saka Korks.

Augsta caurlaidspēja

Jianping Fu ir mašīnbūves profesors Mičiganas Universitātē. Ar Mičiganas universitātes atļauju

Fu saka, ka nākamais solis viņa Ann Arbor laboratorijā ir pilnveidot procedūras, lai iegūtu embrijus ar īpašām īpašībām un lielākā skaitā. Sākotnēji no katrām 100 cistām Mičiganas zinātnieki izauga, tikai piecām beidzās ar asimetrisku formu, kas atgādināja amnija maisiņu. Bet viņi jau ir iemācījušies, kā panākt, lai šī forma parādās katru reizi. Embriju ražošana kļūs programmējama un mērogojama, prognozē Fu.

Narkotikas varētu pārbaudīt uz embrijiem, piemēram, lai atzīmētu visas, kurām ir toksiska iedarbība un kas izraisa iedzimtus defektus. Fu cer, ka sintētiskā embrioloģija galu galā varētu palīdzēt inženieriem izaudzēt pilnīgus cilvēka orgānus. Es nerunāju par cilvēka ķermeni bez smadzenēm. Bet patiesa iespēja ir tāda, ka jūs varētu izveidot mini zarnu vai mini aknas, jo embrijs attīsta arī tās. Un, ja jums ir primitīvi orgāni, tie varētu izaugt par funkcionālu, prognozē Fu. Laboratorija ir sākusi audzēt embrijus uz mikroshēmas, kas ir aptuveni kredītkartes izmēra. Tajā ir iegravēti seši mikrokanāli, no kuriem katrā ir ievietoti 10 elementi, kas ir suspendēti hidrogēlos un baroti ar barības vielām, kas tiek turētas miniatūros spainīšos. Fu to sauc par augstas caurlaidības ražošanu.

Tādā veidā, viņš saka, visu var iedarbināt un kontrolēt.

paslēpties