Αναζητώντας τα όργανα του εργαστηρίου: Μια δεκαετία αναζητήσεων

Από πόλεις στον ουρανό μέχρι ρομπότ μπάτλερ, φουτουριστικά οράματα γεμίζουν την ιστορία

PopSci

. Στο



Είμαστε ακόμη εκεί?



στήλη ελέγχουμε την πρόοδο προς τις πιο φιλόδοξες υποσχέσεις μας. Διαβάστε περισσότερα από τη σειρά εδώ.

Δεκαετίες πριν από τα πρώτα «μωρά δοκιμαστικού σωλήνα», υπήρχαν «βιολογικές κούνιες». Μάλιστα, τεχνητές μήτρες, που μπορεί

σύντομα θα μπει σε ανθρώπινες δοκιμές

για τα πρόωρα μωρά υψηλού κινδύνου, ξεκίνησαν ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1960, όταν οι ερευνητές ανέπτυξαν συσκευές και μεθόδους για την ανάπτυξη ανθρώπινων εμβρύων σε ένα εργαστήριο για διάστημα έως και 50-60 ημερών.

«Αυτή δεν είναι η σχετικά απλή καλλιέργεια ιστού»,

Λαϊκή Επιστήμη

Η συνεργάτιδα συντάκτρια Joan Steen εξήγησε στο

Ιούνιος 1962

«όπου εξαιρετικά εξειδικευμένα κύτταρα, όπως ο μυελός των οστών ή το συκώτι, συνεχίζουν να αναπτύσσονται σε γυάλινα πιάτα που τροφοδοτούνται από ζωμούς θρεπτικών συστατικών».

Ο Steen επισκέφτηκε το εργαστήριο ενός χειρουργού στην Ιταλία, του Daniele Petrucci, ο οποίος ανέπτυξε έμβρυα για τις δυνατότητές τους να υποστηρίξουν μεταμοσχεύσεις οργάνων. «Αυτό μεγαλώνει το

ολόκληρος

οργανισμός από την αρχή», έγραψε ο Steen. «Παίρνοντας το μικροσκοπικό ανθρώπινο ωάριο και προσπαθώντας, ενάντια σε όλες τις πιθανότητες, να το γονιμοποιήσω και να το κρατήσω ζωντανό για μεγάλο χρονικό διάστημα».

Πολλά έχουν αλλάξει στην έρευνα σε έμβρυα από το 1962. Από την ανάπτυξη και την εκτύπωση συνθετικών οργάνων μέχρι τον κυτταρικό επαναπρογραμματισμό έως τις τεχνητές μήτρες, όσα έμαθαν οι επιστήμονες από μελέτες σε έμβρυα κόβουν την ανάσα. Αλλά ακόμα δεν μπορούμε να διατηρήσουμε τα ανθρώπινα έμβρυα έξω από τη μήτρα για πολύ καιρό και, περισσότερο από μισό αιώνα μετά, το όραμα του Petrucci για όργανα που έχουν αναπτυχθεί στο εργαστήριο παραμένει ως επί το πλείστον πειραματικό.

Η εκτογένεση, η διαδικασία ανάπτυξης ενός ανθρώπου από τη σύλληψη έως τη γέννηση έξω από ένα

σώμα

, εξακολουθεί να είναι το υλικό της επιστημονικής φαντασίας, που απεικονίζεται δυσοίωνα από τον Aldous Huxley στο

Γενναίος Νέος Κόσμος

, όπου τα μωρά που μεγαλώνουν στο εργαστήριο μετατρέπονται σε κοινωνικές κάστες. Εν μέρει, αυτό οφείλεται στο ότι, μέχρι τη δεκαετία του 1970, οι ηθικές ανησυχίες σχετικά με την έρευνα σε έμβρυα οδήγησαν σε περιορισμούς χρηματοδότησης, νόμους και ερευνητικούς κανονισμούς που περιόρισαν το τι μπορούν να εξερευνήσουν οι επιστήμονες. Αλλά είναι επίσης επειδή έχουμε πολύ δρόμο μπροστά μας για να κατανοήσουμε την περίπλοκη και λεπτή εναλλαγή πλακούντα μεταξύ του εμβρύου και του σώματος της εγκύου.

«Η πρόκληση είναι ότι ο πλακούντας κάνει τη δουλειά μιας ολόκληρης δέσμης σωματικών συστημάτων κατά τη διάρκεια της κύησης», λέει η Michelle Oyen, Διευθύντρια του Κέντρου Μηχανικής Γυναικείας Υγείας στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις. «Δεν μπορείς απλώς να αναπτύξεις κάτι ανεξάρτητο από το αγγειακό σύστημα, το λεμφικό σύστημα, το νευρικό σύστημα – πρέπει να έχεις όλες αυτές τις συνδέσεις και γι’ αυτό αρχίζει να γίνεται τόσο περίπλοκο».

Η πρώτη επιτυχημένη

«Μωρό μου από δοκιμαστικό σωλήνα», Λουίζ Μπράουν

, γεννήθηκε το 1978, ανοίγοντας το δρόμο για την εξωσωματική γονιμοποίηση (IVF) ως λύση για τα υπογόνιμα ζευγάρια. Από τότε τουλάχιστον

12 εκατομμύρια μωρά έχουν γεννηθεί με εξωσωματική γονιμοποίηση

, σύμφωνα με τη Διεθνή Επιτροπή για την Παρακολούθηση των Τεχνολογιών Υποβοηθούμενης Αναπαρ

αγωγή

ς. Αλλά τα «μωρά από δοκιμαστικό σωλήνα» δεν μεγαλώνουν πραγματικά σε εργαστήριο για περισσότερο από

μια χούφτα μέρες

πριν το γονιμοποιημένο ωάριο μεταφερθεί σε μήτρα ή καταψυχθεί και αποθηκευτεί για μελλοντική μεταφορά. (Η διαδικασία έγινε πρόσφατα το επίκεντρο του νομικού ελέγχου μετά το Ανώτατο Δικαστήριο των ΗΠΑ

ανέτρεψε το Roe εναντίον Wade τον Ιούνιο του 2022

και το

Το Ανώτατο Δικαστήριο της Αλαμπάμα αποφάσισε τον Φεβρουάριο του 2024

ότι τα κατεψυγμένα έμβρυα είναι παιδιά.)

Η γέννηση του Μπράουν σηματοδότησε πόσο μακριά είχαν φτάσει οι επιστήμονες με την έρευνα σε έμβρυα, η οποία σήμανε συναγερμό. Ένα χρόνο αργότερα, το 1979, το Υπουργείο Αγωγής Υγείας και Πρόνοιας των ΗΠΑ εφάρμοσε την

Κανόνας 14 ημερών

, απαγορεύοντας την ανάπτυξη εμβρύων σε εργαστήριο πέραν των 14 ημερών, επικαλούμενη ηθικές ανησυχίες. Ο περιορισμός υιοθετήθηκε ευρέως παγκοσμίως, περιορίζοντας την ικανότητα των ερευνητών να μελετούν μεταγενέστερα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης ή να αναπτύσσουν έμβρυα για μεταμοσχεύσεις οργάνων.

Ως αποτέλεσμα, η ανάπτυξη του ανθρώπινου εμβρύου και του εμβρύου μεταξύ 14 ημερών και βιωσιμότητας (περίπου 22-24 εβδομάδες) είναι ένα είδος μαύρου κουτιού που οι επιστήμονες προσπαθούν να εξερευνήσουν με άλλους τρόπους. Στο Centre for Women’s Health Engineering, η Oyen κάνει αίτηση

μηχανικά εργαλεία και τεχνικές για τη μελέτη αυτής της κρίσιμης αναπτυξιακής περιόδου

για το οποίο πολλά παραμένουν άγνωστα.

«Κάνω πολλή υπολογιστική μοντελοποίηση και ανάλυση βάσει εικόνας», εξηγεί ο Oyen. Χρησιμοποιεί επίσης

μοντέλα organ-on-a-chip

, που περιλαμβάνει την ανάπτυξη μικροσκοπικών ιστών ή οργανοειδών -όπως πλακούντες, πνεύμονες, καρδιές, ακόμη και εγκέφαλοι- στον τύπο τσιπ που μοιάζει με τσιπ υπολογιστή, σκαλισμένο με μικροκανάλια που χρησιμοποιούνται για την παροχή υγρών που είναι απαραίτητα για τη διατήρηση του ιστού, παρέχοντας επίσης άμεσα μέσα παρακολούθησης ανάπτυξη ιστού. Τα οργανοειδή ήταν χρήσιμα για δοκιμές φαρμάκων και έρευνα ειδικών οργάνων, αλλά δεν έχουν προχωρήσει ακόμη στο σημείο να παρέχουν αναγεννημένα όργανα για θεραπεία υποκατάστασης.

[ Related:


A ‘brain organoid’ biochip displayed serious voice recognition and math skills


]

Για να αναπτυχθούν οργανοειδή —και όργανα— απαιτείται κάποια μορφή βλαστοκυττάρων, γενικά ένα εμβρυϊκό βλαστοκύτταρο, ένα ενήλικο βλαστοκύτταρο ή ένα ενήλικο βλαστοκύτταρο που έχει επαναπρογραμματιστεί σε εμβρυϊκή κατάσταση, γνωστό και ως επαγόμενο πολυδύναμο βλαστοκύτταρο (iPSC) .

Τα εμβρυϊκά

βλαστοκύτταρα

είναι τα πιο ευέλικτα. ξεκινούν ως λευκές πλάκες, ικανές να εξελιχθούν σε οποιοδήποτε τύπο κυττάρου, όπως εγκέφαλος, δέρμα ή συκώτι. Είναι η ευελιξία τους που τα κάνει τόσο ελκυστικά για τους επιστήμονες που αναζητούν αναγεννητικές θεραπείες. Ο τομέας της επι

γενετική

ς, που μπορεί να είναι

ανάγεται στη δεκαετία του 1940

διερευνά τους εξωγενείς παράγοντες που επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσεται ένα εμβρυϊκό βλαστοκύτταρο.

Μόλις το 1998 απομονώθηκαν επιτυχώς τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα

από τον επιστήμονα Τζέιμς Τόμσον στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν στο Μάντισον

. Η ανακάλυψη του Thomson οδήγησε σε περαιτέρω περιορισμούς στην έρευνα εμβρυϊκών βλαστοκυττάρων,

ειδικά στις ΗΠΑ

.

Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, η ​​αναζήτηση σειρών ανθρώπινων εμβρυϊκών βλαστοκυττάρων για την τροφοδοσία της έρευνας οδήγησε σε

θεραπευτική κλωνοποίηση

, το οποίο επέτρεψε στους επιστήμονες να αναπτύξουν σειρές εμβρυϊκών βλαστοκυττάρων χωρίς να βασίζονται σε γονιμοποίηση ή πλεονάζοντα ωάρια από κλινικές εξωσωματικής γονιμοποίησης. Χρησιμοποιώντας τέτοιες εγκεκριμένες σειρές εμβρυϊκών βλαστοκυττάρων, οι ερευνητές κατάφεραν να αναπτύξουν τεχνητά έμβρυα, ή εμβρυοειδή, που δεν απαιτούν ξεχωριστό σπέρμα και ωάριο. Φυσικά, ο κανόνας των 14 ημερών εξακολουθεί να ισχύει, πράγμα που σημαίνει ότι το έμβρυο πρέπει να καταστραφεί πριν αναπτυχθεί περαιτέρω, αν και

έχουν προταθεί εξαιρέσεις

δεδομένου ότι τα έμβρυα δεν έχουν δυνατότητα να εξελιχθούν σε λειτουργικό έμβρυο.

Οι περιορισμοί που επιβλήθηκαν μεταξύ της δεκαετίας του 1970 και των αρχών της δεκαετίας του 2000 βοήθησαν στην ώθηση άλλων προσεγγίσεων στην έρευνα για τα βλαστοκύτταρα, όχι με στόχο την τεχνητή ανάπτυξη των ανθρώπων, αλλά με το βλέμμα προς

κατανόηση των πολύ πρώιμων σταδίων της ανθρώπινης ανάπτυξης

και προς την αναγεννητική ιατρική, το είδος που οραματίστηκε ο Petrucci—χρησιμοποιώντας βλαστοκύτταρα για την ανάπτυξη ή την αναγέννηση οργάνων, τη θεραπεία ή την πρόληψη ασθενειών και ακόμη και την αναστροφή της γήρανσης.

Ενήλικα βλαστοκύτταρα, για παράδειγμα,

δεν δεσμεύονται από τους ίδιους ερευνητικούς περιορισμούς

που διέπουν τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα. Τα ενήλικα βλαστοκύτταρα, όπως αυτά που βρίσκονται στο αίμα του ομφάλιου λώρου (ναι, τα βλαστοκύτταρα στο αίμα του ομφάλιου λώρου θεωρούνται «ενήλικα») και στο μυελό των οστών, έχουν αναγεννητικές ιδιότητες, αλλά οι δυνατότητές τους περιορίζονται από το προχωρημένο αναπτυξιακό τους στάδιο. Δεν μπορούν να προκληθούν να εξελιχθούν σε οποιοδήποτε άλλο κύτταρο εκτός και αν «επαναπρογραμματιστούν» πρώτα.

Κυτταρικός επαναπρογραμματισμός

επιχειρήθηκε για πρώτη φορά η παρακίνηση ενός τύπου κυττάρου να μετατραπεί σε έναν άλλο επαναπρογραμματίζοντάς το σε εμβρυϊκή κατάσταση

στη δεκαετία του 1980

και αργότερα προχώρησε από

Η αποδέκτης του βραβείου Νόμπελ Σίνια Γιαμανάκα

. Σήμερα, οι επιστήμονες μπορούν να επαναφέρουν τα ώριμα κύτταρα, όπως τα κύτταρα του δέρματος, στην εμβρυϊκή ή πολυδύναμη κατάστασή τους (τέτοια κύτταρα είναι γνωστά ως

επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα ή iPSC

), δίνοντάς τους τη δυνατότητα να ξεκινήσουν φρέσκοι, να αναπτύσσονται ξανά σε διαφορετικούς ιστούς, όπως τα ηπατικά κύτταρα.

Πέρα από τις προφανείς και σημαντικές ηθικές ανησυχίες, το μοντέλο ανάπτυξης οργάνων του Πετρούτσι μέσω ενός εμβρύου -ένας πολύ μικρός κλώνος με απόλυτα ταιριαστό ιστό- θα ήταν σοβαρά αναποτελεσματικό, όπως η κατασκευή ενός ολόκληρου σπιτιού μόνο για χρήση ενός δωματίου.

τρισδιάστατη βιοεκτύπωση, ωστόσο, χρησιμοποιώντας

Βιομελάνες που βασίζονται σε βλαστοκύτταρα

, δείχνει υπόσχεση. Οι ερευνητές έχουν εκτυπώσει με επιτυχία μια ποικιλία ανθρώπινων οργάνων όπως νεφρά, αιμοφόρα αγγεία,

των οστών, των μυών και του δέρματος

ακόμη και μια καρδιά που λειτουργεί.

[ Related:


Scientists have 3D bioprinted functioning human brain tissue


]

Αλλά ο Oyen πιστεύει ότι θα περάσει λίγος χρόνος για να είναι αξιόπιστη η ανάπτυξη ή η βιοεκτύπωση οργάνων, επισημαίνοντας ότι «δεν μπορείς να δημιουργήσεις πράγματα χωρίς να έχεις την επιστήμη. Και αυτό σημαίνει ότι αυτό το μαύρο

κουτί

της πρώιμης ανάπτυξης είναι ένα πραγματικό πρόβλημα στην προσπάθεια να ανακεφαλαιώσουμε σωστά και επιτυχώς την ανάπτυξη ενός οργάνου». Σημειώνει ότι υπήρξαν μέτριες εμπορικές επιτυχίες όπως η ανάπτυξη δερματικού ιστού για δερματικά μοσχεύματα, αλλά «το να φτάσουμε σε εκείνο το σημείο όπου χρησιμοποιούμε εξατομικευμένα βλαστοκύτταρα από μεμονωμένους ανθρώπους για να κάνουμε ένα μόσχευμα κατασκευασμένο από ιστούς είναι ακόμα στο μέλλον».

Έχει περάσει περισσότερο από μισός αιώνας από τότε που μοιράστηκε ο Πετρούτσι

Λαϊκή Επιστήμη

τις προσπάθειές του να αναπτύξει έμβρυα σε εργαστήριο με σκοπό την αντικατάσταση ανθρώπινων οργάνων. Έκτοτε, η έρευνα σε έμβρυα έχει ξεπεράσει τα όρια της επιστήμης, της ηθικής και της κοινωνικής μας συνείδησης. Ενώ έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της συμπεριφοράς και των δυνατοτήτων των εμβρυϊκών βλαστοκυττάρων (και άλλων βλαστικών κυττάρων), εξακολουθούμε να μην μπορούμε να κατασκευάσουμε όργανα με αξιοπιστία.