Wissenschaftler der Universität Cambridge haben mithilfe menschlicher Stammzellen dreidimensionale embryoähnliche Strukturen geschaffen, die bestimmte Aspekte der sehr frühen menschlichen Entwicklung nachbilden – darunter die Produktion von Blutstammzellen.
Menschliche Blutstammzellen, auch als hämatopoetische Stammzellen bekannt, sind unreife Zellen, die sich zu allen Arten von Blutzellen entwickeln können, darunter rote Blutkörperchen, die Sauerstoff transportieren, und verschiedene Arten von weißen Blutkörperchen, die für das Immunsystem entscheidend sind.
Die embryoähnlichen Strukturen, die die Wissenschaftler „Hämatoide“ genannt haben, organisieren sich selbst und beginnen nach etwa zweiwöchiger Entwicklung im Labor mit der Blutproduktion – und ahmen damit den Entwicklungsprozess menschlicher Embryonen nach.
Die Strukturen unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von echten menschlichen Embryonen und können sich nicht zu solchen entwickeln, da ihnen mehrere embryonale Gewebe sowie der stützende Dottersack und die Plazenta fehlen, die für die weitere Entwicklung erforderlich sind.
Hämatoide bergen ein spannendes Potenzial für ein besseres Verständnis der Blutbildung während der frühen menschlichen Entwicklung, für die Simulation von Blutkrankheiten wie Leukämie und für die Produktion langlebiger Blutstammzellen für Transplantationen.
Die zur Gewinnung von Hämatoiden verwendeten menschlichen Stammzellen können aus jeder beliebigen Körperzelle gewonnen werden. Dieser Ansatz birgt daher auch großes Potenzial für die personalisierte Medizin der Zukunft, da er die Produktion von Blut ermöglicht, das vollständig mit dem Körper des Patienten kompatibel ist.
Zwar gibt es bereits andere Methoden zur Erzeugung menschlicher Blutstammzellen im Labor, doch benötigen diese einen Cocktail aus zusätzlichen Proteinen, um Wachstum und Entwicklung der Stammzellen zu unterstützen. Die neue Methode ahmt den natürlichen Entwicklungsprozess nach und basiert auf einem selbstorganisierenden, embryonalen Modell, bei dem die intrinsische Umgebung der Zellen die Bildung von Blutzellen und schlagenden Herzzellen innerhalb desselben Systems fördert.
Die Ergebnisse wurden heute in der Zeitschrift Cell Reports veröffentlicht.
Selbstorganisierende Strukturen
Das neue, dem menschlichen Embryo ähnliche Modell simuliert die Zellveränderungen, die in den sehr frühen Stadien der menschlichen Entwicklung auftreten, wenn sich unsere Organe und unser Blutsystem zum ersten Mal zu bilden beginnen.
Das Team beobachtete die Entstehung der dreidimensionalen Hämatoide unter dem Mikroskop im Labor. Am zweiten Tag hatten sich diese selbstorganisiert und bildeten drei Keimblätter – Ektoderm, Mesoderm und Endoderm –, die Grundlage des menschlichen Körperbaus und entscheidend für die Bildung aller Organe und Gewebe, einschließlich des Blutes.
Am achten Tag hatten sich schlagende Herzzellen gebildet. Aus diesen Zellen entsteht schließlich das Herz eines sich entwickelnden menschlichen Embryos.
Am dreizehnten Tag beobachtete das Team rote Blutflecken in den Hämatopoiden. Sie entwickelten außerdem eine Methode, die zeigte, dass sich Blutstammzellen in Hämatopoiden in verschiedene Blutzelltypen differenzieren können, darunter auch spezialisierte Immunzellen wie T-Zellen.
Licht auf die frühe menschliche Entwicklung werfen
Aus Stammzellen gewonnene Embryomodelle sind für die Erweiterung unseres Wissens über die frühe menschliche Entwicklung von entscheidender Bedeutung.
Die Blutzellen in den Hämatoiden entwickeln sich bis zu einem Stadium, das in etwa der vierten bis fünften Woche der menschlichen Embryonalentwicklung entspricht. Dieses sehr frühe Lebensstadium kann bei einem echten menschlichen Embryo nicht direkt beobachtet werden, da er sich zu diesem Zeitpunkt bereits in der Gebärmutter der Mutter eingenistet hat.
Für stammzellbasierte Modelle menschlicher Embryonen gelten klare Vorschriften. Jede Forschung zur Modellierung der Entwicklung menschlicher Embryonen muss vor der Durchführung von Ethikkommissionen genehmigt werden. Diese Studie erhielt die erforderlichen Genehmigungen, und die daraus resultierende Arbeit wurde einem Peer-Review unterzogen.
Die Wissenschaftler haben diese Arbeit über Cambridge Enterprise patentieren lassen, den Innovationszweig der Universität Cambridge, der Forscher dabei unterstützt, ihre Arbeit in eine weltweit führende wirtschaftliche und soziale Wirkung umzusetzen.
Credits
Jitesh Neupane, Universität Cambridge
Journal
Cell Reports
