Magdalena Żernicka-Goetz: utworzyć tak skomplikowane istoty jak my

Godne Nagrody Nobla odkrycie prezentowane przez „Nature” na razie dotyczy tylko myszy. Ale zastosowanie nowatorskiej metody do zarodków ludzi jest kwestią zaledwie kilku miesięcy. Dzięki niej poznamy mechanizmy molekularne naszego rozwoju embrionalnego.

Osobą, która doprowadziła do przełomu, jest prof. Magdalena Żernicka-Goetz, biolożka i embriolożka, która pracę doktorską obroniła na Uniwersytecie Warszawskim, po czym wyjechała do Wielkiej Brytanii. Badania prowadzi m.in. w Uniwersytecie Cambridge i California Institute of Technology. Jest autorką najważniejszych odkryć z dziedziny embriologii ostatnich lat, jedną z najbardziej twórczych ludzi nauki XXI w. Pisaliśmy o niej w POLITYCE parokrotnie.

Aktywność udowodniona

Badania molekularne rozwoju człowieka były do tej pory hamowane niedostępnością ludzkich zarodków do celów naukowych. Uczeni korzystali z trudno dostępnych tzw. nadplanowych zarodków pochodzących z darów od osób poddających swoje komórki rozrodcze zapłodnieniu in vitro. – Niestety większość to odpady, często obarczone problemami rozwojowymi – wyjaśnia Żernicka-Goetz. Słowem: naukowcy byli skazani na badanie organizmów będących w kondycji gorszej niż optymalna.

Uważa się powszechnie, że komórki macierzyste ssaków mają wręcz nieograniczone zdolności do tworzenia wszystkich komórek ciała. Przekonanie to dotyczy zwłaszcza uzyskiwanych z komórek wczesnego zarodka w stadium pęcherzyka zwanego blastocystą tzw. węzła zarodkowego (mikroskopijnej struktury tworzącej ciało przyszłego osobnika w trakcie normalnego rozwoju zarodka). I w dużej mierze jest to prawda. Jednak komórki te nie mają zdolności tworzenia tzw. tkanek zewnątrzzarodkowych. A to one tworzą błony płodowe otaczające – i w ten sposób chroniące – zarodek: m.in. trofoblast (zapewniający bezpieczny kontakt pomiędzy zarodkiem i organizmem matki) oraz pęcherzyk żółtkowy (gromadzący dla rozwijającego się zarodka zapas pokarmu).

Brak tej zdolności – co już kilka lat wcześniej wykazała grupa Żernickiej-Goetz – powoduje, że zarodek myszy utworzony z samych zarodkowych komórek macierzystych uzyskiwanych z węzła zarodkowego ulega deformacji. Z tego powodu podejrzewano, że komórki błon płodowych aktywnie wpływają na jego rozwój.

Tę właśnie hipotezę pozytywnie zweryfikowała kierowana przez Żernicką-Goetz grupa naukowców z University of Cambridge, California Institute of Technology w Pasadenie i z Allen Discovery Center for Cell Lineage Tracing w Seattle w USA.

Doświadczenie polegało na połączeniu ze sobą trzech rodzajów komórek macierzystych: zarodkowych, trofoblastycznych i indukowanych endodermy pozazarodkowej.

Skąd pomysł, by wykorzystać tak złożoną mieszaninę? – Wszystko zaczęło się od badań, których celem było wykazanie, czy można hodować zarodki myszy i człowieka w hodowli in vitro już po okresie implantacji [czyli wnikania zarodka w błonę śluzową macicy]. Wtedy tak na dobrą sprawę zainteresowałam się tym, co się dzieje w zarodku, który zaczyna tworzyć narządy wewnętrzne i staje się płodem – mówi Żernicka-Goetz. – Dzięki temu, że udało nam się znacznie wydłużyć czas obserwacji w hodowli in vitro, mogłam zobaczyć tworzenie się błon i jam płodowych wokół zarodka i powstawanie jego pęcherzyka żółtkowego. I zrozumiałam, że najprawdopodobniej rola tych struktur nie polega jedynie na ochronie i odżywianiu rosnącego zarodka i płodu, ale że mogą one mieć również swój udział w samym formowaniu się właściwego zarodka. Innymi słowy, że nie odgrywają one biernej, ale czynną rolę w procesie rozwojowym. Przedtem nie można było tego zobaczyć, a dzięki naszym doświadczeniom odkryliśmy tę tajemnicę.

Plan reżyserski

Trzy typy komórek spontanicznie weszły ze sobą w interakcje umożliwiające rozwój zarodkowy bardzo podobny do naturalnego (takiego, który następuje po zapłodnieniu komórki jajowej). Embriolodzy pod kierownictwem Żernickiej-Goetz hodowali zarodki w pożywce w laboratorium do czasu kształtowania się przyszłych narządów płodu, np. mózgu czy przewodu pokarmowego.

– Kiedy dodawaliśmy komórki macierzyste trofoblastu, nie widzieliśmy wielkiej poprawy – tłumaczy Żernicka-Goetz. – Okazało się, że konieczne jest połączenie wszystkich trzech typów tych komórek. Dopiero wówczas rozwój takich sztucznych zarodków był bezbłędny. Okazało się, że to komórki macierzyste pochodzące z zewnątrzzarodkowych części odgrywają rolę reżysera czy dyrygenta prawidłowego rozwoju zarodka i płodu. Bez nich same komórki właściwego zarodka próbują to robić, ale idzie im to bardzo źle.

Co kluczowe, u takich samoorganizujących się zarodków naukowcy nie zaobserwowali istotnych różnic w rozwoju w porównaniu z tymi uzyskanymi przez zapłodnienie. Użyte do skonstruowania zarodka komórki macierzyste mogą więc odtworzyć – przynajmniej do pewnego momentu – prawidłowy proces rozwojowy.

Wydaje się więc, że niezbędny jest tu nie tylko program genetyczny zapisany w DNA poszczególnych komórek, lecz także odpowiednie interakcje między nimi. One mają kapitalne znaczenie dla prawidłowego formowania się struktur przyszłego organizmu i niezakłóconego przestrzennego porządkowania się komórek zarodka i płodu.

Odkrycie to ma ogromne znaczenie dla zrozumienia molekularnych mechanizmów rozwoju ssaków. W tym również dla zarodków ludzkich, które zapewne kierują się podobnymi prawami (Żernicka-Goetz zasłynęła już również z tego, że jako pierwsza na świecie podjęła tego typu badania właśnie na zarodkach naszego gatunku).

Spokój etyczny

Jakie znaczenie ma odkrycie dla jego głównej autorki? – Najważniejsze było dla mnie znalezienie odpowiedzi na pytania: Jak w trakcie rozwoju oddziaływają ze sobą badane przez nas komórki? Jaki jest ich dialog i jaka współpraca, żeby – krok po kroku – utworzyć tak skomplikowane istoty jak my sami?

Nowa metoda dostarczy właściwie nieograniczoną liczbę zarodków, co jest bardzo istotne w badaniach procesów molekularnych. Ale także w transplantologii. Rozwikłanie zagadki, jak wygląda dialog międzykomórkowy w trakcie rozwoju zarodkowego, pozwoli na poznanie, jak wygląda on w trakcie tworzenia trzustki, serca czy płuc. Nauczenie się sterowania nim umożliwi produkowanie w laboratorium, in vitro, narządów zastępczych do przeszczepów.

– Nie będziemy musieli czekać na śmierć dawcy czy dar np. w postaci nerki – prognozuje Żernicka-Goetz. – Używając komórek macierzystych, np. pochodzących od samego pacjenta, będzie można wyhodować dla niego idealny narząd, jeśli tylko będzie na to czas. A jeśli nie będzie to możliwe, to wówczas można będzie użyć narządu utworzonego z innych, ale kompatybilnych z genomem biorcy.

Możliwość uzyskiwania zdrowych zarodków z ludzkich komórek macierzystych spowoduje także, że zniknie etyczny czy też religijny problem związany z koniecznością uśmiercania w celach naukowych zarodków poczętych przez zapłodnienie.