Ana sayfa Bilim Gündemi İnsan embriyosunun tam ve kapsamlı bir modeli yayınlandı

İnsan embriyosunun tam ve kapsamlı bir modeli yayınlandı

406

Gelişimin erken dönemlerinde insan embriyosu blastosist adı verilen bir yapı oluşturur. İki araştırma grubu bir laboratuvar kabındaki hücrelerden insan blastosist benzeri yapılar oluşturarak insan embriyolojisini ilerletmek için değerli bir model yarattılar.

Yardımcı üreme teknolojilerini iyileştirmek, gebelik kaybını ve doğuştan gelen kusurları önlemek için, erken insan gelişiminin doğru bir şekilde anlaşılması çok önemlidir. Ancak, erken gelişimi incelemek pek kolay değildir çünkü üzerinde çalışmak için çok az insan embriyosu bulunur ve araştırmalar ciddi etik ve yasal kısıtlamalara tabidir. Memeli embriyolarının modellerini oluşturmak için in vitro (yapay ortam) olarak kültürlenen (büyütülen) hücreleri kullanan tekniklerin ortaya çıkışı, bu nedenle heyecan verici fırsatlar sunar. Nature‘daki iki makale bu alanda önemli ilerlemeler kaydederek insan embriyonik kök hücrelerinin veya yetişkin dokulardan yeniden programlanan insan hücrelerinin, bir laboratuvar kabında kendi kendine organize olarak erken insan embriyolarına benzeyen yapılar oluşturmak için uyarılabileceğini gösteriyor. Bu, fetüsün tüm kurucu hücre soyları ve onu destekleyen dokularla ilgili hücre tiplerini içeren ilk kapsamlı insan embriyo modelidir.

Memelilerde döllenmiş bir yumurta, gelişiminin ilk günlerinde bir dizi hücre bölünmesine uğrar ve bu da blastosist adı verilen bir yapının oluşumuna yol açar. Blastosist, iç hücre kütlesi (ICM) adı verilen hücre kümesini içeren bir boşluğu çevreleyen, trofektoderm adı verilen bir dış hücre tabakası içerir. Blastosist geliştikçe, ICM iki bitişik komşu hücre popülasyonuna ayrılır: Epiblast ve hipoblast (fare embriyolarında ilkel endoderm olarak bilinir). Blastosist daha sonra rahim dokusuna yerleşerek (implante edilerek), epiblast hücrelerinin tüm fetüsü meydana getirecek üç temel hücre katmanını oluşturduğu gastrulasyon adı verilen bir olay için zemin hazırlar. Trofektoderm plasentanın çoğunu oluşturmaya devam ederken; hipoblast, erken fetal kan temini için gerekli olan “yolk kesesi” adı verilen bir yapının bazı katmanlarını oluşturur.

Kültürlenmiş hücreler (blastoidler olarak bilinen yapılar) kullanarak blastosist oluşumunu tekrarlayan ilk in vitro modeller, fare blastosistinde epiblast, trofoblast ve ilkel endodermde bulunan kök hücrelere karşılık gelen fare kök hücrelerini kullandı. Bununla birlikte, insan hücrelerinden benzer blastoidlerin üretimi şimdiye kadar sağlanamamıştır. Erken insan gelişiminin önceki modelleri, gelişimsel olarak implantasyon sonrası, gastrulasyon öncesi epiblast hücrelerine benzer insan kök hücrelerini kullandı. Bu nedenle, implantasyon sonrası insan gelişiminin bazı aşamalarını modelleyebilseler de, trofektoderm, hipoblast veya her ikisiyle ilişkili soylardan yoksundu. Mevcut makalelerde, Yu, Liu ve diğerleri insan blastoidlerini tanımlamaktadır. Bu teknolojik atılımların anahtarı iki yönlü görünüyor: Birincisi, insan blastosistindeki soyları temsil eden hücrelerin kullanılması ve ikincisi, kültür protokollerinin iyileştirilmesi.

Yu ve ekibi ya insan blastosistlerinden türetilen insan embriyonik kök hücreleriyle ya da yetişkin hücrelerden üretilen uyarılmış pluripotent kök hücrelerle çalışmalara başladı. Bu kök hücre türlerinin her ikisi de gelişimsel olarak blastosistteki epiblast hücrelerine benzer ve ayrıca trofektoderm ve hipoblast ile ilgili soyların gelişmesini de sağlayabilir. Buna karşın, Liu ve ekibi, epiblast, trofektoderm ve hipoblast hücrelerine benzer gen anlatım profillerine sahip hücreler içeren karma bir hücre popülasyonu oluşturmak için fibroblast adı verilen yetişkin cilt hücrelerini yeniden programladılar. Fare blastoid protokollerinde olduğu gibi, her iki yaklaşım da hücrelerin Aggrewell plakaları adı verilen 3D kültür tabaklarına tohumlanmasını ve blastosist gelişimi için gereken sinyal aktivitelerini kontrol etmek için kullanılan kimyasal faktörleri içeren sıvı büyüme ortamı ile işlemeyi içeriyordu (Şekil 1). Yu ve meslektaşları, hücrelerin trofektoderm ve hipoblastı temsil eden soylar halinde farklılaşmasını uyarmak için hücreleri sırayla iki farklı kültür ortamına maruz bıraktılar.

Şekil 1. İnsan blastoidlerinin üretimi. Blastosistler, embriyo, plasenta ve yolk kesesi adı verilen bir destek dokusunu meydana getirecek üç hücre türünü içeren, memeli gelişiminin erken dönemlerinde oluşan yapılardır. İki grup da insan blastosistlerinin epey benzeri olan insan blastoid modellerini oluşturmak için in vitro (yapay ortamda) bir takım yöntemler kullandılar. a) Yu ve ekibi, blastosistteki tüm hücre türleriyle ilişkili hücre soylarını yaratabilecek insan pluripotent kök hücreleri (hPSC’ler) kullandı. hPSC’ler ya insan blastosistlerinden izole edildi ya da yetişkin insan hücrelerinin yeniden programlanmasıyla elde edildi. Araştırmacılar, hPSC’leri Aggrewell plakaları adı verilen üç boyutlu kültür tabaklarına yerleştirdiler ve insan blastoidlerinin oluşumunu tetiklemek için iki aşamalı bir kültür işlemi kullandılar. b) Buna karşılık Liu ve ekibi, yetişkin insan hücrelerini blastosistlerde bulunan üç hücre tipiyle eşleşen gen ifadelerine sahip hücre tiplerine yeniden programladı (farklı renklerle gösterilen, bilinmeyen tipteki bazı hücreler de üretildi). Blastoidi oluşturmak için tek adımlı bir üç boyutlu kültür işlemi kullandılar (Her iki protokolde de blastoidler, burada gösterilmeyen, bilinmeyen tipte bazı hücreler içeriyordu).

Her iki grup da insan blastoidlerinin altı ila sekiz günlük kültürden sonra ortaya çıktığını, fare blastoid protokollerinin verimliliğiyle karşılaştırılabilir şekilde neredeyse yüzde 20’ye varan bir oluşum verimliliği ile ortaya çıktığını buldu. İnsan blastoidleri, doğal blastosistlere benzer boyut, şekil ve hücre sayısına sahiptiler. Bir boşluk ve ICM benzeri bir küme içeriyorlardı.

Blastoidlerin ayrıntılı karakterizasyonu (genom çapında ekspresyon analizi ve insan embriyo verileriyle karşılaştırmalar dahil), hücre soylarının implantasyon öncesi insan blastosistininkilerle moleküler benzerlikler paylaştığını gösterdi. Epiblast, trofektoderm ve hipoblast ile ilgili soyların uzamsal organizasyonu, implantasyon öncesi insan embriyolarında bulunanlarla tutarlıdır. Gruplar ayrıca blastoid hücrelerin blastosist soylarının temel özelliklerine sahip olduğunu da gösterdi; blastoidlerden izole edilen hücreler çeşitli kök hücre tipleri oluşturmak için kullanılabilir. Yu ve diğerleri, bu kök hücreler fare blastosistlerine nakledilirse, fare embriyosundaki karşılık gelen fare soylarıyla bütünleşebilecek hücrelere yol açabileceğini gösterdiler.

Daha sonra araştırmacılar, kültür ortamında rahim implantasyonunu taklit ederek blastoidlerin gelişimini analiz ettiler. Blastosistler gibi, blastoidler bu kültür ortamında dört ya da beş gün süresince büyütüldüğünde, bazıları kültür kabına bağlanmış ve gelişmeye devam etmiştir. Kültür kabına bağlanmış blastoidlerin bazılarında, epiblast hücre soyunu temsil edenler yeniden organize olup, merkezdeki boşluğu kaplayan bir yapıya dönüşürler ve implantasyon sonrası blastosistlerin epiblastında oluşan pro-amniyotik boşluğu anımsatırlar. Aynı zamanda bazı blastoidlerde, trofektoderm ile ilgili hücre soyları yayıldı ve özelleşmiş plasenta hücre tiplerine farklılaşma işaretleri gösterdi. Yu ve diğerleri ayrıca bazı blastoidlerde, yolk kesesi boşluğuna benzer şekilde, hipoblast ile ilişkili hücre dizisinde ikinci bir boşluk gözlemlendi.

Grupların verileri, insan blastoidlerinin implantasyon öncesi ve implantasyon sonrası erken blastosist gelişimi için in vitro modellerin umut verici olduğunu gösteriyor. Ancak aşılması gereken ciddi kısıtlamalar var. Örneğin, blastoidlerin gelişimi verimsizdir, farklı donörlerden üretilen hücre hatları arasında ve deney grupları arasında verimlilik açısından değişkenlik gösterir. Buna ek olarak, bir blastoidteki üç hücre soyu biraz farklı oranlarda gelişiyor gibi görünüyor ve aynı hücre kabında bulunan blastoidlerin gelişimi de senkronize edilmemiş görünüyor. Blastoidlerdeki hipoblast ile ilişkili hücre soyunun uzamsal organizasyonu iyileştirilmesi gereken bir konudur. Ayrıca, blastoidler, doğal insan blastosistlerinde benzerleri bulunmayan tanımlanmamış hücre popülasyonları içerir.

Diğer bir problem ise blastoid gelişiminin fare blastoidlerinden farklı olarak implantasyon sonrası aşamalarda sınırlı olmasıdır. Laboratuvarda hücre kültürü ve deneysel koşulların iyileştirilmesi, hücre kültüründeki insan blastoidlerinin implantasyon sonrası aşamalarının geliştirilmesi için gereklidir ve bu süreç in vivoda (canlı organizmada) 14 güne eşdeğerdir. Katı etik kurallar, gastrulasyon ile ilişkili yapıların ortaya çıkmaya başladığı bu aşamayı geçen insan embriyolarının hücre kültüründe geliştirilmesini engeller. İmplantasyon sonrası gelişimi etkili bir şekilde destekleyen, insan blastosistlerini hücre kültüründe geliştirmeye uygun üç boyutlu sistemler, normal üç boyutlu doku mimarisini ve blastoidlerdeki farklı hücre soyları arasındaki uzamsal ilişkileri koruyarak bu sınıra kadar blastoidleri kültür ortamında büyütme yeteneğimizi geliştirmemize yardımcı olabilir.

İnsan blastoidleri, laboratuvarda in vitro olarak yetiştirilmiş hücrelerden türetilen ve fetüsün tüm kurucu hücre soylarına ve destekleyici dokularına sahip ilk insan embriyo modelleridir. Deney protokolleri iyileştirildiğinde, bu blastoidler insan blastosistlerini daha da iyi taklit edecekler. Bu kaçınılmaz olarak biyoetik sorulara yol açacaktır. İnsan blastoidlerinin etik durumu ne olmalı ve nasıl düzenlenmelidir? 14 gün kuralı uygulanabilir mi? İnsan blastoidleri ile ilgili araştırmaların gerekli dikkatle devam edebilmesi için önce bu soruların cevaplanması gerekiyor. Pek çok insan için insan blastoidlerinin incelenmesi, doğal insan blastosistlerinin incelenmesinden etik açıdan daha az zorlayıcı olacaktır. Bununla birlikte, bazıları insan embriyolarının mühendisliğine giden bir yol olarak görebilir. Bu nedenle, insan blastoidleri de dahil olmak üzere insan embriyo modellerinin sürekli gelişimi, bu tür araştırmaların bilimsel önemi ve ortaya çıkardığı toplumsal ve etik sorunlar hakkında halka açık konuşmalar yapılmasını gerektirir.

Kaynakça: NATURE