3. Oktober 2022 — Fehlgeburten sind ein verheerendes, wenn auch natürliches Ereignis. Fast 1 Million schwangere Menschen in den USA erleben jedes Jahr eine Fehlgeburt, entsprechend den nationalen Anwälten für schwangere Frauen. Neue Forschungsergebnisse könnten Einblicke in die Ursachen einiger Arten von Fehlgeburten in der Frühphase geben und vielleicht eines Tages dazu beitragen, Fehlgeburten zu verhindern.
Bei dem biotechnologischen Durchbruch schufen Wissenschaftler in einem Labor einen Mausembryo, ohne Spermien oder Eier zu verwenden. Der experimentelle Embryo, Modell genannt, wurde aus Stammzellen gezüchtet und weiter entwickelt als alle früheren Experimente, mit einem schlagenden Herzen und der Grundlage eines Gehirns in einem Dottersack, so die Forscher.
Obwohl das Experiment mit Maus-Stammzellen durchgeführt wurde, könnte es helfen zu erklären, warum manche Schwangerschaften beim Menschen scheitern. Fehlgeburten treten bei bis zu 15 % der ärztlich bestätigten Schwangerschaften auf, nach einigen Studien, und auch für viele schwangere Menschen, bevor sie überhaupt von der Schwangerschaft wussten. Dieses Experiment gibt Forschern erstmals einen Einblick in ein kritisches Entwicklungsstadium.
„Wir bauen Mäuseembryomodelle, aber sie haben genau das gleiche Prinzip wie echte menschliche Embryonen“, sagt die leitende Forscherin Magdalena Zernicka-Goetz, PhD, Professor für Säugetierentwicklung und Stammzellbiologie an der Cambridge University in Großbritannien „Deshalb erzählen sie uns von echter Schwangerschaft.“
Mit den neuen Mausmodellen können die Forscher die Einnistung untersuchen, das Stadium, in dem sich Embryonen in den Körper der Mutter einnisten – ein Stadium, das für Embryonen oft schwer zu überleben ist. Derselbe Vorgang findet bei Mäuseembryos statt, die sich in diesem frühen Lebensstadium sehr ähnlich wie menschliche Embryonen entwickeln.
Entschlüsselung des Stammzellencodes
Vor sechs Jahren haben Forscher der University of Cambridge und der Kalifornisches Institut der Technologie machte sich daran, Modelle zu schaffen, die es ihnen ermöglichen würden, die fötale Entwicklung in dreidimensionaler Form zu untersuchen, jedoch ohne die Notwendigkeit menschlicher Embryonen.
„Wir versuchen, die wichtigsten Prinzipien von Zeit und Raum zu verstehen, die erfüllt sein müssen“, um eine erfolgreiche Schwangerschaft zu gestalten, erklärt Zernicka-Goetz. „Wenn diese Prinzipien nicht erfüllt sind, werden die Schwangerschaften abgebrochen, noch bevor Frauen dies bemerken schwanger.”
Es gibt Grenzen auf die Verwendung menschlicher Embryonen für die Forschung, und frühere Experimente haben dazu tendiert, nur einen Aspekt der Entwicklung zu replizieren. Das führte zu zweidimensionalen Experimenten: flache Zellen auf dem Boden einer Petrischale, denen die strukturelle Organisation von echtem Gewebe fehlt.
Die neuen Modelle sind dreidimensional mit schlagenden Herzen und den Dottersäcken, in denen sich Embryonen ernähren und wachsen. Die Modelle bildeten sogar den Anfang eines Gehirns – ein Novum in der Forschung.
Die Wissenschaftler verwendeten die grundlegenden zellulären „Bausteine“, sogenannte Stammzellen, und schafften es, die Zellen dazu zu bringen, entlang einer Zeitachse zu kommunizieren, die die natürliche Entwicklung nachahmte und diese Entwicklungsstadien simulierte, sagt Zernicka-Goetz. Diese „Bausteine“ sind eigentlich drei Arten von Stammzellen: pluripotente Stammzellen, die Körpergewebe aufbauen, und zwei weitere Arten von Stammzellen, die die Plazenta und die Fruchtblase aufbauen.
Für die Durchführung des Experiments war die richtige Menge jedes Stammzelltyps erforderlich. Die Forscher mussten auch verstehen, wie diese Zellen Informationen austauschen, bevor sie zu wachsen beginnen. Die Forscher konnten “den Code entschlüsseln”, wie die Zellen miteinander sprechen, sagt Zernicka-Goetz.
Anfangs verbinden sich die drei Arten von Stammzellen fast wie eine Suppe, aber wenn das Timing stimmt, müssen sie sich gegenseitig erkennen und sortieren. Als nächstes muss jeder Stammzelltyp damit beginnen, eine andere Struktur aufzubauen, die für die fötale Entwicklung notwendig ist. Zernicka-Goetz betrachtet diese Konstruktion als die Architektur menschlichen Gewebes.
Mit der neuen Technik können Forscher die Implantationsphase und darüber hinaus weiter untersuchen. Und das taten sie – sie veränderten das Experiment, um absichtlich einen genetisch fehlerhaften Embryo zu erschaffen.
Goetz und ihr Team eliminierten ein bestimmtes Gen, von dem bekannt ist, dass es reguliert, wie Zellen ihre eigene Identität herstellen. Dies führte zu den gleichen Entwicklungsfehlern im Gehirn wie bei menschlichen Embryonen und lieferte einen „Proof of Concept“, dass die experimentellen Modelle verwendet werden können, um andere genetische Mysterien zu untersuchen, sagt sie.
Wissenschaftler sind immer noch im Dunkeln darüber, was einige Gene tun und wann sie für die Entwicklung des Gehirns entscheidend werden.
„Viele Gene spielen sehr früh eine Rolle, indem sie zum Beispiel die Position des Kopfes und auch die Funktionsweise unseres Gehirns festlegen“, sagt Zernicka-Goetz. „Mit diesem Modellsystem können wir nun die Funktion dieser Gene beurteilen.“