Wissenschaftler züchten Mausembryonen in einem mechanischen Mutterleib

Die Mausembryonen sahen völlig normal aus. Alle ihre Organe entwickelten sich wie erwartet, zusammen mit ihren Gliedmaßen sowie dem Kreislauf- und Nervensystem. Ihre winzigen Herzen schlugen mit normalen 170 Schlägen pro Minute.

Aber diese Embryonen wuchsen nicht in einer Muttermaus. Sie wurden in einer künstlichen Gebärmutter entwickelt, das erste Mal, dass eine solche Leistung vollbracht wurde, berichteten Wissenschaftler am Mittwoch.

Die Experimente am Weizmann Institute of Science in Israel sollten Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wie sich Säugetiere entwickeln und wie sich Genmutationen, Nährstoffe und Umweltbedingungen auf den Fötus auswirken können. Aber die Arbeit könnte eines Tages tiefgreifende Fragen aufwerfen, ob andere Tiere, sogar Menschen, außerhalb eines lebenden Mutterleibs kultiviert werden sollten oder könnten.

In einer in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie beschrieb Dr. Jacob Hanna, wie Embryonen an fünf Schwangerschaftstagen aus den Gebärmutter von Mäusen entfernt und weitere sechs Tage in künstlichen Gebärmutter gezüchtet werden.

Zu diesem Zeitpunkt befanden sich die Embryonen etwa in der Mitte ihrer Entwicklung; Die volle Trächtigkeit beträgt ca. 20 Tage. Ein Mensch in diesem Entwicklungsstadium würde als Fötus bezeichnet. Bis heute haben Dr. Hanna und seine Kollegen auf diese Weise mehr als 1.000 Embryonen gezüchtet.

“Es ist wirklich eine bemerkenswerte Leistung”, sagte Paul Tesar, Entwicklungsbiologe an der medizinischen Fakultät der Case Western Reserve University.

Alexander Meissner, Direktor für Genomregulation am Max-Planck-Institut für Molekulargenetik in Berlin, sagte, dass „es erstaunlich ist, so weit zu kommen“ und dass die Studie „ein wichtiger Meilenstein“ sei.

Die Forschung ist jedoch bereits über das hinausgegangen, was die Ermittler in dem Papier beschrieben haben. In einem Interview sagte Dr. Hanna, er und seine Kollegen hätten befruchtete Eier aus den Eileitern weiblicher Mäuse unmittelbar nach der Befruchtung – am Tag 0 der Entwicklung – entnommen und sie 11 Tage lang in der künstlichen Gebärmutter gezüchtet.

Bisher konnten Forscher im Labor Eier von Säugetieren befruchten und nur für kurze Zeit züchten. Die Embryonen brauchten einen lebenden Mutterleib. “Plazenta-Säugetiere entwickeln sich in der Gebärmutter eingeschlossen”, sagte Dr. Tesar.

Dies hinderte Wissenschaftler daran, grundlegende Fragen zu den frühesten Entwicklungsstadien zu beantworten.

“Der heilige Gral der Entwicklungsbiologie besteht darin, zu verstehen, wie eine einzelne Zelle, ein befruchtetes Ei, alle spezifischen Zelltypen im menschlichen Körper bilden und zu 40 Billionen Zellen heranwachsen kann”, sagte Dr. Tesar. “Seit jeher versuchen Forscher, Wege zu finden, um diese Frage zu beantworten.”

Die einzige Möglichkeit, die Entwicklung von Geweben und Organen zu untersuchen, bestand darin, sich Arten wie Würmern, Fröschen und Fliegen zuzuwenden, die keine Gebärmutter benötigen, oder Embryonen zu unterschiedlichen Zeiten aus den Gebärmutter von Versuchstieren zu entfernen, um Einblicke in die Entwicklung zu erhalten, die eher Schnappschüssen ähneln als Video.

Was benötigt wurde, war eine Möglichkeit, in die Gebärmutter zu gelangen und die Entwicklung bei Säugetieren zu beobachten und zu optimieren, während dies geschah. Für Dr. Hanna bedeutete das die Entwicklung einer künstlichen Gebärmutter.

Er verbrachte sieben Jahre damit, ein zweiteiliges System zu entwickeln, das Inkubatoren, Nährstoffe und ein Belüftungssystem umfasst. Die Mausembryonen werden in Glasfläschchen in Inkubatoren gegeben, wo sie in einer speziellen Nährflüssigkeit schwimmen.

Die Fläschchen sind an einem Rad befestigt, das sich langsam dreht, damit die Embryonen nicht an der Wand haften, wo sie sich verformen und absterben würden. Die Inkubatoren sind an eine Beatmungsmaschine angeschlossen, die den Embryonen Sauerstoff und Kohlendioxid zuführt und die Konzentration dieser Gase sowie den Gasdruck und die Durchflussrate steuert.

Am 11. Entwicklungstag – mehr als in der Mitte einer Mausschwangerschaft – untersuchten Dr. Hanna und seine Kollegen die Embryonen, nur die Größe von Apfelsamen, und verglichen sie mit denen, die sich in der Gebärmutter lebender Mäuse entwickelten. Die Laborembryonen waren identisch, fanden die Wissenschaftler.

Zu diesem Zeitpunkt waren die im Labor gezüchteten Embryonen jedoch zu groß geworden, um ohne Blutversorgung zu überleben. Sie hatten eine Plazenta und einen Dottersack, aber die Nährlösung, die sie durch Diffusion fütterte, reichte nicht mehr aus.

Diese Hürde zu überwinden, ist das nächste Ziel, sagte Dr. Hanna in einem Interview. Er erwägt die Verwendung einer angereicherten Nährlösung oder einer künstlichen Blutversorgung, die mit der Plazenta der Embryonen verbunden ist.

In der Zwischenzeit stehen Experimente an. Die Fähigkeit, Embryonen am Leben zu erhalten und sich in der Mitte der Schwangerschaft zu entwickeln, „ist für uns eine Goldmine“, sagte Dr. Hanna.

Die künstliche Gebärmutter kann es Forschern ermöglichen, mehr darüber zu erfahren, warum Schwangerschaften zu Fehlgeburten führen oder warum befruchtete Eier nicht implantiert werden können. Es öffnet ein neues Fenster darüber, wie Genmutationen oder -deletionen die Entwicklung des Fötus beeinflussen. Forscher können möglicherweise beobachten, wie einzelne Zellen zu ihren endgültigen Zielen wandern.

Die Arbeit ist “ein Durchbruch”, sagte Magdalena Zernicka-Goetz, Professorin für Biologie und Biotechnik an der Caltech. Es “öffnet die Tür zu einem neuen Zeitalter des Studiums der Entwicklung im experimentellen Mausmodell.”

Eine jüngste Entwicklung bietet eine weitere Möglichkeit. Forscher haben Mausembryonen direkt aus Mausfibroblasten – Bindegewebszellen – hergestellt, um frühe Embryonen herzustellen, ohne mit einem befruchteten Ei zu beginnen.

Kombinieren Sie diese Entwicklung mit Dr. Hannas Arbeit und “jetzt brauchen Sie keine Mäuse mehr, um die Entwicklung von Mausembryonen zu untersuchen”, sagte Dr. Meissner. Wissenschaftler können möglicherweise alle Embryonen, die sie benötigen, aus Bindegewebe herstellen.

Wenn Wissenschaftler Embryonen herstellen könnten, ohne Eier zu befruchten, und ihre Entwicklung ohne Gebärmutter untersuchen könnten, sagte Dr. Meissner: „Sie können der Zerstörung von Embryonen entkommen.“ Es wäre nicht nötig, Mauseier zu befruchten, um sie im Verlauf der Studie zu zerstören.

Aber die Arbeit könnte schließlich über Mäuse hinausgehen. Zwei weitere Artikel, die am Mittwoch in Nature veröffentlicht wurden, berichten über Versuche, auf diese Weise frühe menschliche Embryonen zu erzeugen. Natürlich, sagte Dr. Meissner, ist die Schaffung menschlicher Embryonen Jahre entfernt – wenn es überhaupt erlaubt ist. Derzeit unterlassen Wissenschaftler es im Allgemeinen, menschliche Embryonen nach 14 Tagen Befruchtung zu untersuchen.

In Zukunft sagte Dr. Tesar: “Es ist nicht unangemessen, dass wir die Fähigkeit haben könnten, einen menschlichen Embryo von der Befruchtung bis zur Geburt vollständig außerhalb der Gebärmutter zu entwickeln.”

Natürlich wird selbst der Vorschlag dieses Science-Fiction-Szenarios viele entsetzen. Aber es ist noch früh, ohne Gewissheit, dass sich menschliche Feten jemals vollständig außerhalb des Mutterleibs entwickeln könnten.

Selbst wenn sie dies könnten, bemerkte Dr. Tesar: “Ob dies angemessen ist, ist eine Frage für Ethiker, Regulierungsbehörden und die Gesellschaft.”

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