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Embryon "synthétique" avec cerveau et cœur battant issus de plusieurs cellules souches

Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont créé des embryons modèles à partir de cellules souches de souris qui forment un cerveau, un cœur battant et les fondations de tous les autres organes du corps – une nouvelle voie pour recréer les premières étapes de la vie.

L’équipe, dirigée par le professeur Magdalena Zernicka-Goetz, a développé le modèle d’embryon sans ovule ni sperme, et a plutôt utilisé des cellules souches – les cellules maîtresses du corps, qui peuvent se développer en presque n’importe quel form de cellule dans le corps.

Les chercheurs ont imité les processus naturels en laboratoire en guidant les trois sorts de cellules souches trouvées au début du développement des mammifères jusqu’au issue où elles commencent à interagir. En induisant l’expression d’un ensemble particulier de gènes et en créant un environnement unique pour leurs interactions, les chercheurs ont réussi à faire « parler » les cellules souches entre elles.

Les cellules souches se sont vehicle-organisées en buildings qui ont progressé à travers les stades de développement successifs jusqu’à ce qu’elles aient des cœurs battants et les fondations du cerveau, ainsi que le sac vitellin où l’embryon se développe et puise ses nutriments dans ses premières semaines. Contrairement à d’autres embryons synthétiques, les modèles développés par Cambridge ont atteint le position où tout le cerveau, y compris la partie antérieure, a commencé à se développer. Il s’agit d’un stade de développement supérieur à celui atteint dans tout autre modèle dérivé de cellules souches.

L’équipe affirme que leurs résultats, le résultat de additionally d’une décennie de recherche qui ont progressivement conduit à des constructions embryonnaires de as well as en as well as complexes et rapportés dans la revue Nature, pourraient aider les chercheurs à comprendre pourquoi certains embryons échouent tandis que d’autres continuent à se développer en un grossesse en bonne santé. De furthermore, les résultats pourraient être utilisés pour guider la réparation et le développement d’organes humains synthétiques destinés à la transplantation.

“Notre modèle d’embryon de souris développe non seulement un cerveau, mais aussi un cœur qui bat, tous les composants qui composent le corps”, a déclaré Zernicka-Goetz, professeur de développement des mammifères et de biologie des cellules souches au département de physiologie du développement de Cambridge. et Neurosciences. “C’est tout simplement incroyable que nous en soyons arrivés là. C’est le rêve de notre communauté depuis des années, et l’objectif principal de notre travail depuis une décennie et finalement nous l’avons fait.”

Pour qu’un embryon humain se développe avec succès, il doit y avoir un « dialogue » entre les tissus qui deviendront l’embryon et les tissus qui relieront l’embryon à la mère. Au cours de la première semaine après la fécondation, trois sorts de cellules souches se développent : l’une deviendra éventuellement les tissus du corps, et les deux autres soutiendront le développement de l’embryon. L’un de ces types de cellules souches extra-embryonnaires deviendra le placenta, qui relie le fœtus à la mère et fournit de l’oxygène et des nutriments et le second est le sac vitellin, où l’embryon se développe et d’où il tire ses nutriments au début du développement.

De nombreuses grossesses échouent au second où les trois sorts de cellules souches commencent à s’envoyer des signaux mécaniques et chimiques, qui indiquent à l’embryon remark se développer correctement.

“Tant de grossesses échouent à cette époque, avant que la plupart des femmes ne réalisent qu’elles sont enceintes”, a déclaré Zernicka-Goetz, qui est également professeur de biologie et de génie biologique à Caltech. “Cette période est la foundation de tout ce qui go well with pendant la grossesse. Si ça tourne mal, la grossesse échouera.”

Au cours de la dernière décennie, le groupe du professeur Zernicka-Goetz à Cambridge a étudié ces premiers stades de la grossesse, afin de comprendre pourquoi certaines grossesses échouent et d’autres réussissent.

“Le modèle d’embryon de cellules souches est essential car il nous donne accès à la construction en développement à un stade qui nous est normalement caché en raison de l’implantation du petit embryon dans l’utérus de la mère”, a déclaré Zernicka-Goetz. “Cette accessibilité nous permet de manipuler les gènes pour comprendre leurs rôles de développement dans un système expérimental modèle.”

Pour guider le développement de leur embryon synthétique, les chercheurs ont assemblé des cellules souches cultivées représentant chacun des trois types de tissus dans les bonnes proportions et l’environnement pour favoriser leur croissance et leur conversation les unes avec les autres, pour finalement s’auto-assembler en un embryon.

Les chercheurs ont découvert que les cellules excess-embryonnaires envoient des signaux aux cellules embryonnaires par des signaux chimiques mais aussi de manière mécaniste, ou par le toucher, guidant le développement de l’embryon.

“Cette période de la vie humaine est si mystérieuse, alors pouvoir voir remark cela se passe dans un plat — avoir accès à ces cellules souches individuelles, comprendre pourquoi tant de grossesses échouent et comment nous pourrions être en mesure d’empêcher cela de qui se passe – est assez spécial”, a déclaré Zernicka-Goetz. “Nous avons examiné le dialogue qui doit se produire entre les différents kinds de cellules souches à ce moment-là – nous avons montré comment cela se produit et comment cela peut mal tourner.”

Une avancée majeure dans l’étude est la capacité à générer l’ensemble du cerveau, en particulier la partie antérieure, qui a été un objectif majeur dans le développement d’embryons synthétiques. Cela fonctionne dans le système de Zernicka-Goetz car cette partie du cerveau a besoin de signaux provenant de l’un des tissus added-embryonnaires pour pouvoir se développer. L’équipe a pensé que cela pourrait se produire à partir de leurs études de 2018 et 2021, qui utilisaient les mêmes cellules constitutives pour se développer en embryons à un stade légèrement plus précoce. Maintenant, en poussant le développement un jour as well as loin, ils peuvent définitivement dire que leur modèle est le tout premier à signaler le développement du cerveau antérieur, et en fait de tout le cerveau.

“Cela ouvre de nouvelles possibilités pour étudier les mécanismes du développement neurologique dans un modèle expérimental”, a déclaré Zernicka-Goetz. “En fait, nous démontrons la preuve de ce principe dans l’article en supprimant un gène déjà connu pour être essentiel à la development du tube neural, précurseur du système nerveux, et au développement du cerveau et des yeux. En l’absence de ce gène, les embryons synthétiques montrent exactement les défauts connus du développement cérébral comme chez un animal porteur de cette mutation. Cela signifie que nous pouvons commencer à appliquer ce form d’approche aux nombreux gènes dont la fonction est inconnue dans le développement du cerveau.

Alors que la recherche actuelle a été menée sur des modèles de souris, les chercheurs développent des modèles humains similaires avec le potentiel d’être orientés vers la génération de types d’organes spécifiques pour comprendre les mécanismes derrière des processus cruciaux qui seraient autrement impossibles à étudier dans de vrais embryons. À l’heure actuelle, la loi britannique n’autorise l’étude des embryons humains en laboratoire que jusqu’au 14e jour de développement.

Si les méthodes développées par l’équipe de Zernicka-Goetz s’avèrent efficaces avec les cellules souches humaines à l’avenir, elles pourraient également être utilisées pour guider le développement d’organes synthétiques pour les clients en attente de greffe. “Il y a tellement de gens dans le monde qui attendent des années pour des greffes d’organes”, a déclaré Zernicka-Goetz. “Ce qui rend notre travail si excitant, c’est que les connaissances qui en découlent pourraient être utilisées pour développer des organes humains synthétiques corrects afin de sauver des vies qui sont actuellement perdues. Il devrait également être achievable d’affecter et de guérir des organes adultes en utilisant les connaissances que nous avons sur comment ils sont fabriqués.

“C’est un pas en avant incroyable et il a fallu 10 ans de travail acharné de la part de nombreux membres de mon équipe – je n’aurais jamais pensé que nous arriverions à cet endroit. Vous ne pensez jamais que vos rêves se réaliseront, mais ils l’ont fait.”