TYGODNIK TVP: „Zarodki mysie powstałe bez oocytu czy plemnika – po co i co nas jeszcze czeka?” – pytało niedawno czasopismo naukowe „Nature”. Może pani prosto wyjaśnić, co się takiego stało?

ANNA AJDUK: „Syntetyczne zarodki” tworzy się od kilku lat z komórek macierzystych, które mają zdolność do rozwijania się w różne inne typy komórek. Okazało się bowiem, że można z nich „skleić” (naukowo mówiąc – zagregować) twory przypominające zarodki. Nazywa się je różnie: zarodki syntetyczne, sztuczne czy też embrioidy.

Artykuł „Nature” komentuje dwie najnowsze prace na ten temat. Jedna pochodzi z Izraela, z grupy Jacoba Hanny z Instytutu Weizmanna w Rehovot, ale drugą zawdzięczamy zespołowi, którym kieruje Polka – Magdalena Żernicka-Goetz, wywodząca się z Zakładu Embriologii Uniwersytetu Warszawskiego i od lat pracująca na Uniwersytecie w Cambridge w Wielkiej Brytanii, a obecnie także w CalTech w Pasadenie w USA.

Pierwsze embrioidy powstały mniej więcej pięć lat temu i od początku grupa Magdy Żernickiej-Goetz rozwijała te badania. Te sztuczne przypominają budową zwykłe zarodki i wiele procesów zachodzi w nich podobnie, dzięki czemu mogą być świetnym narzędziem do dociekań mechanizmów rozwoju zarodkowego i przyczyn różnych chorób powstających w życiu płodowym.

Komórki macierzyste to pojęcie szerokie. O jakie w tym wypadku chodzi?

Embrioidy tworzy się z tzw. pluripotentnych komórek macierzystych, czyli takich, które mogą przekształcić się w wiele innych typów komórek. Najłatwiej otrzymać je z zarodka na bardzo wczesnym stadium rozwoju (zwanym blastocystą) – czyli tuż przed zagnieżdżeniem się w macicy. W naturalnych warunkach rozwijają się z nich tkanki zarodkowe, ale już nie pozostałe niezbędne do rozwoju, jak łożysko czy niektóre błony płodowe.

Dziś udało się uzyskać niemal doskonały embrioid, sklejając ze sobą trzy rodzaje takich zarodkowych komórek macierzystych. Jeden, z którego powstaje ciało zarodka, oraz dwa, które zostały zmienione tak, by stawać się komórkami odpowiednio łożyska i jednej z błon płodowych (pęcherzyka żółtkowego). Zrobiono to pracując na materiale mysim, nie ludzkim.

To co w pracach z Cambridge i Rehovot jest nowego, że jak burza przeszły przez naukowe media?

Sukcesem jest dłuższa niż kiedykolwiek wcześniej hodowla embrioidów mysich i zaobserwowanie procesów zarodkowych takich, jak np. formowanie układu nerwowego czy serca. Wcześniej nie byliśmy w stanie zaobserwować ich in vitro, wiec nie mogliśmy ich szczegółowo badać. Ponadto do niedawna zarodki lub embrioidy mysie udawało się utrzymywać w hodowli do szóstego-siódmego dnia rozwoju. A w pracach, o których rozmawiamy, jest to już 8,5 dnia. Różnica niby niewielka, ale naukowo bardzo istotna.

No tak – wszak ciąża u myszy trwa 20 dni, czyli jeszcze trochę, a dobijemy w inkubatorze do jej połowy.

Istotne okazało się tu właśnie połączenie ze sobą komórek macierzystych zdolnych do wytworzenia ciała zarodka z tymi zdolnymi do wytworzenia struktur pozazarodkowych. Komórki je tworzące dostarczają bowiem rozlicznych sygnałów działających jak drogowskazy, które mówią komórkom zarodka, gdzie mają się ulokować, aby zarodek wiedział np. gdzie ma przód, a gdzie tył. W tej fazie rozwoju komórki nie tylko intensywnie się dzielą (dlatego zarodek rośnie) i różnicują (dzięki czemu powstaje wiele różnych tkanek), ale też masowo się przemieszczają, aby trafić na właściwe im miejsce.

Druga techniczna nowinka to specjalny inkubator z Instytutu Weizmanna.

Normalnie rozwój takich zarodków zachodzi już w macicy, więc by je badać, trzeba te zarodki pobrać ze zwierząt. Embrioidy natomiast pozwalają na przeprowadzenie badań bez konieczności poświęcania dla tego celu ciężarnych zwierząt laboratoryjnych. Jednak aby umożliwić hodowlę zarówno naturalnych zarodków, jak i embrioidów, konieczny jest specjalny inkubator, w którym probówki zawierające zarodki są obracane, co pozwala na mieszanie się i natlenianie pożywki hodowlanej. To konieczne dlatego, że w porównaniu do klasycznych hodowli tkankowych, które po prostu utrzymuje się na szalkach, te zarodki są strukturami bardzo dużymi i szybko rosnącymi.

To jest zatem coś w rodzaju „sztucznej macicy”, która jest w stanie utrzymać zarodki poza granicę powstawania narządów? Dałoby się ją zastosować u ludzi?

Znacznie łatwiej takie doświadczenia robić na zarodkach myszy, gdzie rozwój jest bardzo szybki, a rozmiar embrionu niewielki w porównaniu z ludzkim. Wyobraźmy to sobie: startujemy od zarodków jednokomórkowych, które u człowieka i myszy są podobnej wielkości, a kończymy na noworodkach, z których jeden – ten ludzki – mógłby drugiego swobodnie zamknąć w dłoni. W dodatku ludzki zarodek potrzebuje do rozwoju ponad dziesięciokrotnie dłuższego czasu niż mysi. Zatem procesy rozwojowe, które u myszy możemy już dziś obserwować w warunkach laboratoryjnych, są wciąż trudne do zaobserwowania u ludzi. To wyzwanie techniczne dziś jeszcze trudne do pokonania.

Czy embrioidy są w stanie rozwinąć się w dorosłego osobnika?

Nie. Nawet gdybyśmy chcieli, nie jesteśmy obecnie w stanie doprowadzić ich rozwoju do końca.

Nie w ramach tej „sztucznej rotującej macicy”. A gdyby je tak implantować do prawdziwych macic?

Nie możemy ich implantować. Z tego prostego względu, że moment na implantację w rozwoju jest ściśle określony i bardzo krótki. Co więcej, embrioidy nie są w stanie prawidłowo zaimplantować się w macicy nawet, jeśli ich rozwój zatrzymamy na wcześniejszym etapie, na którym normalnie zarodek zagnieżdża się w macicy. Mimo, że „na oko”, a nawet na oko uzbrojone w solidny mikroskop i techniki analizy molekularnej, przypominają naturalne, te powstałe z zapłodnienia. Najwyraźniej, choć podobne, są jednak różne. Diabeł tkwi w szczegółach. W dodatku tak społeczność naukowa w swych rekomendacjach, jak i prawo zakazują przeszczepiania sztucznych zarodków do macicy ludzkiej, podobnie jak ludzkich zarodków do macicy innych ssaków.

Czyli te „twory zarodkopodobne”, jak to pani określa, są w jakiś sposób i z nieznanych jeszcze przyczyn słabsze od naturalnie powstałych zarodków?

Każdy dzień hodowli in vitro wpływa negatywnie na dobrostan zarówno zarodka, jak i embrioidu. Zarodkowi zawsze jest lepiej wewnątrz organizmu samicy, niż w warunkach hodowli, mimo że te ostatnie są od lat optymalizowane. Dodatkowo, zlepienie ze sobą kilku typów komórek macierzystych nie odtwarza, jak widać, w idealny sposób naturalnych procesów rozwojowych zarodka.

Do czego nam takie modele zarodkowe, poza „czystą nauką”?

Modele te mogą być wykorzystywane do testów toksyczności różnych substancji, np. leków, do badań nad ich aktywnością biologiczną czy wpływem na wczesny rozwój zarodkowy. Teraz nie zawsze możliwe jest zbadanie wpływu leku na rozwój płodu, stąd bardzo wiele terapeutyków jest odradzanych kobietom w ciąży. Embrioidy mogą tu w przyszłości pomóc.

Ja jednak mam problem z pojmowaniem embrioidów tak, jak innych organoidów, coraz częściej stosowanych w naukach biomedycznych, nawet w formie tzw. minimózgów. Embriologia nas jednak uczy od zawsze, że zarodek to coś specjalnego…

To jest bardzo ważne pytanie: czy embrioid powinniśmy traktować jak normalny zarodek? A jeśli nie, to co jest tu wyróżnikiem? Gdzie leży granica, jeżeli będziemy udoskonalać tę technikę i kiedyś okaże się, że embrioidy są już całkowicie nierozróżnialne pod względem strukturalnym, molekularnym i wszelkim innym od zarodków powstałych z zapłodnienia? Czy wtedy należy im przyznać „prawa zarodka”?

Prawodawcy oraz środowisko naukowe w rozmaitych rekomendacjach stosują zwykle proste rozróżnienie: prawdziwym zarodkiem jest to, co powstaje z połączenia dwóch gamet – plemnika i komórki jajowej. Trudno jest bowiem określić inne kryteria bycia prawdziwym zarodkiem. Na razie wszystko wskazuje na to, że embrioidy nie mają pełnego potencjału rozwojowego, czyli nie są w stanie rozwinąć się w dojrzały organizm. Są wciąż uproszczonym modelem rozwoju zarodkowego. Będziemy się z tym pewnie mierzyć przez kilka-kilkanaście najbliższych lat.

Jakimś rozwiązaniem mogłoby być sprawienie, za pomocą metod biologii molekularnej, by embrioidy nigdy nie osiągnęły pełnej zdolności rozwojowej. Np. stosować do ich konstruowania komórki macierzyste obarczone defektem, który będzie powodował śmierć takiego embrioidu na jakimś konkretnym etapie rozwoju. Można to zrobić tak, by nie ingerować w procesy, które dzięki takiemu modelowi chcemy badać.

Rekomendacje wypracowane jeszcze bodajże w latach 80. XX wieku, niezależnie w USA i Wielkiej Brytanii, blokowały hodowanie zarodków ludzkich poza organizmem matki na etapie 14 dni.

Tam najsilniej rozwijały się techniki hodowli zarodków in vitro ze względu na dopuszczalność i popularność zapłodnienia pozaustrojowego. Ostatnie jednak rekomendacje Międzynarodowego Towarzystwa Badań nad Komórkami Macierzystymi przekonują, by regułę 14 dni uelastycznić. Prawda jest taka, że owe 14 dni zostało wybrane trochę na zasadzie: „i tak nie uda nam się hodować zarodków ludzkich tak długo, więc…”. Teraz, gdy okazało się, że jesteśmy w stanie zarodki ludzkie hodować do 14. dnia rozwoju, naukowcy chcieliby badać i późniejsze procesy zarodkowe. Apetyt rośnie w miarę jedzenia.

ODWIEDŹ I POLUB NAS
Tu warto zauważyć, że normalnie implantacja ludzkiego zarodka odbywa się w siódmym-dziesiątym dniu od zapłodnienia.

W dniu 14. zaczyna się już proces zwany gastrulacją, kluczowy dla dalszego rozwoju zarodka. Środowisko naukowe zaczęło zatem naciskać, aby tę barierę 14 dni przesunąć. Tylko znów: o ile? O 3, 7, 10 dni? Nie potrafiono znaleźć konsensusu, więc ostatnie rekomendacje proponują, by każde doświadczenie, w którym badacze chcieliby hodować zarodki ludzkie dłużej niż 14 dni, poddawać dokładnej merytorycznej ocenie. Tylko doświadczenia mające szansę naprawdę znacząco poszerzyć naszą wiedzę, a przy tym niemożliwe do wykonania w inny sposób, dostawałyby pozwolenie na takie przedłużenie hodowli. Pamiętajmy, że możliwość pracy na ludzkich zarodkach istnieje w niewielu krajach. W Polsce to nielegalne i ta dyskusja odbywa się w zasadzie zupełnie poza nami.

Zresztą wspomniane wyżej rekomendacje starają się też uregulować zasady pracy z komórkami macierzystymi, zarodkowymi i pluripotentnymi (takimi, z których można uzyskać dowolne komórki organizmu), zarówno w kontekście tworzenia embrioidów, jak i innych zastosowań. Na przykład próbuje się uzyskać z nich gamety, czyli komórki jajowe i plemniki.

Naukowcy podkreślają, że jakiekolwiek zmiany w prawie w tej materii powinny się wiązać z uświadamianiem społeczeństwa zarówno co do ryzyka związanego z tymi technologiami, jak i ogromnych, moim zdaniem, korzyści. Zasady trzeba opracować tak, by były zgodne z tym, co społeczeństwo uważa za etyczne. Dla uczonych jest oczywiste, że jeśli będą się posuwać w swoich badaniach zbyt szybko, to mogą wywołać lęk i niechęć społeczeństwa, które w rezultacie doprowadzą do zakazania ich badań.

Reakcja ta może być wywołana lękiem albo tym, że badacze dokonają wcześniej przełomu, na który prawodawcy i bioetycy nie będą gotowi.

Tworzenie sztucznych zarodków to nie jest pierwsza technologia, która budzi nasze zaniepokojenie. I nie pierwsza, którą się zachłystujemy i obiecujemy sobie po niej bardzo wiele. Podobnie było w kwestii klonowania ssaków. Straszono, że po narodzinach owcy Dolly zaraz pojawią się sklonowani ludzie i… minęło ćwierć wieku i nic. Technika klonowania jest wciąż bardzo trudna i mało efektywna nawet u zwierząt. Dodatkowo istnieje oczywiście powszechna blokada prawna dla tego typu eksperymentów z udziałem komórek ludzkich. Czy tak będzie też w przypadku technik, o których dziś rozmawiamy, wykorzystujących zarodkowe komórki macierzyste – nie wiem. Czas pokaże.

– rozmawiała Magdalena Kawalec-Segond

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy

Dr hab. Anna Ajduk jest profesorem Uniwersytetu Warszawskiego z Zakładu Embriologii Instytutu Biologii Rozwoju i Nauk Biomedycznych Wydziału Biologii.

Źródła:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00981-3
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05246-3