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干细胞平台为人类发展的开端提供了新的视角

在多伦多大学的医学通过设计的研究人员设计了一个新的平台,以研究人类发展的早期阶段,在实验室中,对关键生物过程,到现在为止已经发生子宫内,超出了科学家的目光拉回帷幕。

干细胞平台为人类发展的开端提供了新的视角

该技术被认为是加拿大同类产品中的第一个,它使人类胚胎干细胞能够自我组织成具有胚胎样特征的结构,包括大脑,心脏和肝脏等器官的早期前体。

寻求通过利用人体自我更新能力来治疗疾病的研究人员长期以来一直试图了解这些过程,因为他们认为他们掌握了对推进新的再生医学疗法至关重要的见解。但是技术障碍,道德问题和法律限制使他们无法在实验室中研究人类胚胎中这些关键的发育阶段。这就是研究人员转向干细胞生物工程寻求答案的原因。

“由于它是一个人工的,工程化的环境,可以模仿我们认为对人类胚胎发育很重要的一些基本组织原则,我们的平台有可能减轻与在实验室研究人类胚胎相关的一些挑战,并提供非常有用的提示人类发展的最初阶段是如何开始的,“U of T生物材料与生物医学工程研究所(IBBME)博士候选人Mukul Tewary说。他是一篇论文的主要作者,该论文描述了将于11月出版的特刊“发展”中的平台,并已在该期刊的网站上预先发布。

“了解这一点不仅可以从基本的生物学角度向我们提供关于我们如何成为现实的见解,而且还提供在整个再生医学领域非常有价值的关键信息,”Tewary说。

虽然美国的一些研究以前已经证明了“合成”胚胎模式,但Tewary的平台以重要的方式推进了该技术,他认为这将使研究人员能够开始测试他们基于动物研究和数学建模对早期人类发育生物学做出的假设。 。最终,研究人员希望这些信息可以使他们更接近再生医学的长期目标:利用干细胞在实验室中培养新的组织和器官,以取代那些已被疾病损害的组织和器官。

但科学家,伦理学家和政策制定者将不得不解决这些新平台所提出的棘手问题。“直到最近,这还不是生物伦理学家甚至考虑过的,”特瓦里说。

人类胚胎样结构没有发展成人类的潜力,因为它们来自一片人类胚胎干细胞,而不是来自受精子受精的卵子。尽管如此,他们的到来挑战了我们对胚胎是什么的定义。

直到最近,研究人员在技术上不可能将人类胚胎保存在一个盘子中,超过它们通常在子宫中植入的时间 - 大约在受精后7天。即使它们能够在这一点上保持活力,加拿大在“辅助人类生殖法”中规定了数十年的国际法律和监管共识,禁止科学家在14天内在实验室中培养完整的人类胚胎。当胚胎开始沿着被称为原始条纹的头到尾轴开始自我组织时,就在原肠胚形成之前,当称为外胚层的单层细胞盘形成三个不同的层,最终成为不同类型的器官。

生物伦理学家和科学家们确定了14天的门槛,因为他们想要在脑细胞的前体甚至开始形成之前阻止实验室培养的胚胎的生长,回避关于何时开始意识和感受到疼痛的能力的争论。

最近的进展使得科学家能够在一个培养皿中培养人类胚胎更长的时间,短短14天。这一发展,以及产生干细胞衍生的胚胎样结构的工程化平台的创造,“使人类发育生物学与'14天规则'的碰撞过程”,去年在自然界的评论警告。或者,正如麻省理工学院技术评论最近的标题所说:“人工胚胎即将到来,没有人知道如何处理它们。”

科学家们还没有,但很快就会取得进展。在过去的三年中,一些研究小组通过将人类胚胎干细胞置于微图案表面上来模拟实验室中的早期胚胎发育,这使得它们能够控制细胞粘附的位置和方式。然后他们使用不同的媒介来诱导生长和分化。

由Tewary及其同事在大学Peter Zandstra教授和IBBME副教授Rodrigo Fernandez-Gonzalez的实验室开发的平台以两种方式改进了这项工作。该研究团队使用紫外光刻技术将微图案转移到聚合物覆盖的板上,与其他技术相比,提高了图案化工艺的效率和稳健性。与其他平台不同,它们具有高通量,使它们能够创建数千个胚胎样结构,并在每个实验中测试它们对各种不同条件的响应。

这两项创新使他们能够更准确地识别驱动人类胚胎早期发育的信号和线索。Tewary现在正在研究如何将其他发育事件(例如神经模式)从系统中哄骗出来。他们可以提供有关原肠培养的见解,这种情况发生在受精后14天左右,引发了对如何平衡道德和法律因素以及可能从根本上改变科学和医学的发现的质疑。

随着这些工程的平台变得越来越复杂,研究人员和伦理学家都提出了担心,围绕胚胎研究现行规则可能不足以什么可能还在后面,特别是在从干细胞的胚胎样结构开始显示出现在人类特征的胚胎后,以及前14天的发展。

有些人呼吁就是否应该重新审视14天规则进行广泛的国际讨论。去年,国际干细胞研究学会更新了干细胞研究指南,以“认识到人类发展早期阶段日益复杂的体外模型的发展应该经过专门的审查”。

其他人认为仅仅调整14天规则可能还不够。今年早些时候,哈佛医学院和格罗宁根大学的研究人员认为,试图抢先出现基于发展里程碑(如原始条纹)的“道德关注特征”的出现,将无法充分解决可能跳过步骤的胚胎样结构或沿着不同的时间线发展。相反,他们建议道德限制应“尽可能直接基于这些特征的产生”,研究人员和生物伦理学家共同努力制定规则。

但是,即使达成共识,任何变化都可能是多年,因为国际上有关于胚胎研究的法律和科学指导方针。

Tewary的主管Zandstra表示,他很高兴能够回答基本生物学问题的新途径,并为这个平台打开类似器官的结构,以及它为更广泛的讨论提供的机会。

“它催化了有趣和重要的法律,社会和道德对话,这对于加拿大面对和领导是至关重要的,”Zandstra说,他是加拿大干细胞生物工程研究主席,也是迈克尔史密斯实验室和迈克尔史密斯学院的院长。不列颠哥伦比亚大学的生物医学工程。“作为一名生物工程师,你可以从一个项目中获得更多的东西。”

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