Ohne Eizelle, Sperma und Uterus: Synthetische Maus-Embryonen wachsen im Biorektor

Ein Mausembryo, der sechs Tage außerhalb des Uterus gezüchtet wurde, wird am Endpunkt (Tag 11) auf Entwicklungsmarker gefärbt./Weizmann Institute of Science

Rehovot/Israel – Einem Forscherteam ist es gelungen, Mäuse-Embryonen ohne Befruchtung einer Eizelle allein aus Stammzellen zu kreieren, die sich dann in einem speziellen Bioreaktor bis ins Stadium der Organbildung entwickelten. Die Forscher sehen in Cell (2022; DOI: 10.1016/j.cell.2022.07.028) künftige Anwendungsgebiete in der Medizin.

Seit einem Jahrzehnt ist es möglich, Fibroblasten der Haut in den Zustand embryonaler Stammzellen zurückzu­versetzen. Diese induzierten pluripotenten Stammzellen können im Prinzip in jede Funktionszelle eines Orga­nismus herangereift werden. Für die medizinische Forschung ist dies verlockend, weil sich auf diese Weise bei­spielsweise Knorpelzellen für verschlissene Gelenke oder Betazellen für die Produktion von Insulin herstellen ließen. Primitive Organoide werden bereis in der Forschung genutzt.

Jacob Hanna vom Weizmann Institute of Science in Rehovot hofft, dass sich eines Tages auch menschliche Organe in einem Bioreaktor in synthetischen Embryonen herstellen lassen, quasi in einem „3D-Bioprinter“. Bei Mäusen könnte dies schon bald möglich werden. Den Forschern ist es gelungen, synthetische Embryonen aus Stammzellen herzustellen. Eine künstliche Befruchtung unter Verwendung von Spermium und einer Eizelle war hierzu nicht notwendig.

Die Stammzellen wurden im Labor zunächst in 3 unterschiedliche Zelllinien differenziert. Die erste Zelllinie bestand aus dem Trophoektoderm. Das ist im natürlichen Embryo die äußere Zellschicht, aus der sich später die Plazenta entwickelt. Um die Trophoektoderzellen zu bilden, wurde in den Stammzellen kurzzeitig das Gen iCdx2 aktiviert.

Die 2. Zelllinie war das Entoderm. Dies ist eines der 3 Keimblätter. Aus ihm entwickelt sich im natürlichen Embryo der Magen-Darm-Trakt und einige von ihm abgeleitete Organe wie Lungen und Leber. Um das Entoderm zu bilden, wurde in dem Stammzellen kurzzeitig das Gen iGATA4 aktiviert. Die 3. Zelllinie bestand aus den unveränderten embryonalen Stammzellen.

Die 3 Zelllinien wurden dann gemischt und in einen speziellen Bioreaktor getan, den das Team im letzten Jahr in Nature (2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03416-3) vorgestellt hatte. Den Forschern war es gelungen, einen natürlichen Embryo ohne die Blutversorgung einer Plazenta über 6 Tage (etwa 1/3 der Schwangerschaftsdauer von Mäusen) am Leben zu halten. Während dieser Zeit hatten sich die Organe entwickelt, und das Herz hatte begonnen, Blut durch den Kreislauf zu pumpen.

Jetzt ist dies auch mit den „synthetischen“ Embryonen gelungen. Die Erfolgsrate war zwar gering. Hanna gibt sie mit 0,5 % oder 50 von 10.000 Versuchen an. In diesen wenigen Fällen entwickelte sich der „vereinte“ Zellhaufen zu einem Embryo, der bis zu 8,5 Tage im Bioreaktor überlebten.

In dieser Zeit bildeten sich laut der Studie alle Organsysteme. Darunter war ein schlagendes Herz, Blut­stamm­zellen, ein Gehirn mit den bekannten Faltungen der Oberfläche, ein Neuralrohr (primitives Rücken­mark) und ein Intestinaltrakt. Laut Hanna bestand eine 95 %ige Ähnlichkeit mit einem natürlichen Embryo sowohl in der Form der inneren Strukturen als auch in den Genexpressionsmustern.

Die Forscher sind überzeugt, dass die Organe funktionsfähig sind. Eines Tages könnten die synthetischen Embryomodelle zu einer verlässlichen Quelle für Zellen, Gewebe und Organe für die Transplantation werden, hofft Hanna und ist überzeugt, dass das Verfahren nicht auf ethische Bedenken stoßen werde, da ja keine befruchteten Eizellen verwendet würden. © rme/aerzteblatt.de