Der Mann, der Augen von Grund auf neu entwickelte


Anbau von Nervengewebe und Organe ist ein Sci-Fi-Traum. Moheb Costandi trafen die bahnbrechende Forscher, die Augen und Gehirnzellen wuchsen.

Die Bahnlinie vom Festland Kobe ist ein Wunderwerk der Stadtverkehr. 1981 eröffnet, zieht Japans erste fahrerlose, vollautomatische Zug aus Bahnhof Sannomiya, reibungslos auf erhöhten Schienen, die sich unsicher über den belebten Straßen der Stadt, über die Bucht auf der Insel Port geführt.

Die Insel, und ein Großteil der Stadt wurde in den großen Hanshin-Erdbeben 1995 – die mehr als 5.000 Menschen getötet und zerstört mehr als 100.000 von Gebäuden – und die neu erbaute Folgejahre Kobes dem Erdboden gleichgemacht. Im weiteren Verlauf des Zuges füllt die Landschaft mit Wolkenkratzern. Rokkō Berge kommen ins Blickfeld, drohend drohend über der Stadt, gespickt mit Rauch wogenden aus Dutzenden von engen Schornsteine der Fabriken Elektronik, Stahl und Schiffbau.

Sowie Gehäuse enthält heute den Hafen von Kobe, die von Menschenhand geschaffenen Insel Hotels, Kliniken, Universitäten, ein großes Kongresszentrum und einem Ikea Einrichtungshaus. Gibt es auch drei staatlich finanzierten RIKEN Forschungseinrichtungen: die Advanced Institute of Computational Science (die Heimat was bis 2011, der weltweit schnellsten Supercomputer war), Center for Life Science Technologies und das Zentrum für Developmental Biology (VSB).

An der Einfahrt zu einem der Labs zeigt verblichene Poster in einer dünnen Kunststoff-Rahmen die Crew des Raumschiffs Enterprise, eine junge Captain Kirk sitzt stolz an der Spitze. Darunter ist der berühmte Star-Trek -Slogan: "Mutig gehen, wo kein Mensch hat gone To vor."

Auf der anderen Seite der Tür arbeiten Wissenschaftler im Labor für Organogenese und Neurogenese an etwas, die die Phantasie der Science-Fiction-Autoren seit vielen Jahren ausgelöst hat. Sie sind auf dem neuesten Stand der ein aufstrebendes Gebiet: Wiederaufbau des Körpers durch den Anbau von Geweben und Organen aus Stammzellen. Sie hoffen, die nächste Generation von Therapien für eine Vielzahl von schwächenden Krankheiten des Menschen zu entwickeln und die Geheimnisse der Entwicklung des Gehirns.

Nicht lange nach der Befruchtung besteht der Embryo aus einer winzigen Kugel identisch, nicht spezialisierte Zellen, genannt pluripotente Stammzellen. Diese haben die Fähigkeit, in diesem Zustand bleiben auf unbestimmte Zeit, während der Teilung um Tochterzellen zu erzeugen, die in der Lage, sich in jeden Zelltyp im erwachsenen Körper zu finden sind. Diese embryonale Stammzellen angeboten Hoffnung für Forscher versuchen, Behandlung von Krankheiten zu entwickeln, aber die Tatsache, die sie nur aus menschlichen Embryonen gewonnen werden konnte ernste ethische Fragen über ihre Verwendung erhöht.

Dann, im Jahr 2007 ein Team unter der Leitung von Shinya Yamanaka aus Kyoto University zeigte, dass Bindegewebszellen von erwachsenen Ratten konnte eine pluripotente Stammzelle-artigen Zustand wiederherstellen und in Form verschiedener Zelltypen umprogrammiert werden. Andere gingen auf um zu zeigen, dass Zellen von fast überall im menschlichen Körper ähnlich, in so ziemlich jede andere Art von Zelle neu programmiert werden können.

Bis 2008 hatte US-Forscher ergriffen Hautzellen von eine 82 jährige Frau mit amyotropher Lateralsklerose (ALS, eine Form von Motoneuron-Krankheit), in Petrischalen gelegt und neu programmiert, um die gleichen motorischen Neuronen bilden, die durch die Krankheit zerstört werden. Bis zum Jahr 2010 hatten Forscher an der Stanford University gezeigt, dass Maus Bindegewebszellen direkt in Neuronen, umprogrammiert werden können unter Umgehung den pluripotenten Zustand.

Diese Fortschritte bot eine neue – und weniger umstrittene – Möglichkeit zur Gewinnung menschlichen embryonalen Stammzellen. Forscher konnten sie im Labor wachsen und umzuprogrammieren sie, aber sie wollten, um die molekularen und zellulären Mechanismen der Krankheiten zu studieren und die Auswirkungen der neu entwickelten Medikamente zu testen. Sie auch ermöglichten einen Meilenstein in der regenerativen Medizin: die erste erfolgreiche Transplantation eines Organs vollständig aus künstlichen Gewebe gewachsen.

Der Empfänger war Andemariam Teklesenbet Beyene, ein 36-j hrige eritreischen Mann für eines Masterabschluss in Geophysik an der Universität von Island studiert. Während seines Studiums Beyene war mit Krebs im fortgeschrittenen Stadium diagnostiziert, dann entwickelt einen Golf Ball Größe Tumor, der seine Luftröhre blockiert. Er weigerte sich ihm zunächst die revolutionäre Behandlung, die angeboten wurde, aber er stimmte nach Rücksprache mit seinem Arzt in Island und seiner Familie.

Die Behandlung erforderte die koordinierte Aktivität von drei Teams, jeweils in einem anderen Teil der Welt. Forscher an der UCL received erste, computergestützte Tomographie Scans von Beyenes Luftröhre. Sie nutzte die Scans zum Bau einer y-förmigen Glasform mit einem Nano-Polymer überzogen war, ein poröses Gerüst bilden. Dieses Gerüst wurde geschickt in die USA und Harvard Bioscience, wer "entkernt" das Gerüst mit Stammzellen aus dem Knochenmark des Beyene, dann in einem speziell entwickelten Bioreaktor für mehrere Tage inkubiert. Dies ermöglichte es die Zellen, die Poren in das Gerüst zu infiltrieren und Bindegewebe Form zu unterscheiden. Schließlich schickte das Gerüst auf dem Karolinska Institut in Stockholm, wo die 12-Stunden-Transplantation stattgefunden hat.

Paolo Macchiarini, Chirurg am Karolinska Institut und seine Kollegen erfolgreich die erste vollständig synthetische Luftröhre verpflanzt im Juni 2011. Beyene blieb schwach und bettlägerig für mehrere Wochen nach dem Eingriff, aber er schließlich erholte sich und absolvierte die Universität etwa acht Monate später.

Luftröhre Transplantationen hatte vor durchgeführt aber hatten alle Beteiligten realen Kaltluft von menschlichen Spendern, abgespeckte des Knorpels und aufgefüllt mit den Empfängern Stammzellen. Suche nach einem geeigneten Spender kann Monate dauern, so dass die Verwendung von einem künstlichen Gerüst benötigte Zeit drastisch verkürzt. Für Beyene war das Leben retten. (Es überwindet auch ein weiteres Hindernis: weil Beyene der neuen Luftröhre ist komplett synthetisch, sein Körper ist weit weniger wahrscheinlich, ihn abzulehnen, so dass er nicht die mächtigen immun Suppressant Drogen zu nehmen, dass andere Transplantationspatienten ergreifen, um dies zu stoppen.)

Zehntausende von Menschen weltweit warten auf Organtransplantationen, aber es gibt nicht genug Organe zu gehen um – im vergangenen Jahr mehr als 5.600 Menschen waren auf der Warteliste für eine Nierentransplantation im Vereinigten Königreich, aber knapp über 3.000 erhielt eine. Der weltweite Mangel an Spendern hat einen lukrativen und wachsenden Schwarzmarkt geschürt: Nieren von Lebendspendern geerntet kann für mehr als 30.000 Dollar verkauft werden und wird bald zahlenmäßig überlegen, die von den Toten.

"Unser oberstes Ziel ist zu helfen, den Mangel an Spenderorganen für Transplantationen zu adressieren und Therapien für Krankheiten zu entwickeln", sagt Anthony Atala, Direktor des Instituts Wake Forest für Regenerationsmedizin in North Carolina, USA. "Ich sehe das Feld voran, so dass Behandlungen nach und nach für ein breiteres Spektrum von Bedingungen entwickelt werden."

Atala und seine Kollegen nutzten Gerüste, Blase, Harnleiter und zuletzt Vagina aus Zellen, zu wachsen und haben gezeigt, dass sie bleiben sicher und wirksam für die Jahre nach der Transplantation. "Wir sind jetzt eine klinische Studie, die Bewertung der Sicherheit von Muskel Vorläuferzellen für die Behandlung der Harninkontinenz bei Frauen führen", sagt Atala, "und wir haben eine Vielzahl von Projekten, die noch in der Erprobungsphase nicht einschließlich Druck Hautzellen auf Brandwunden und Zelltherapien für Nierenerkrankungen, Mukoviszidose und Hämophilie."

Zurück in Kobe wächst das Labor für Organogenese und Neurogenese, Gewebe und Organe mit einem ganz anderen Ansatz, der Gerüste nicht verwendet. Bemerkenswert ist, haben sie festgestellt, dass embryonaler Stammzellen zu organisieren, kann sich in hochkomplexen dreidimensionalen Strukturen, wenn Sie in die richtige Richtung geführt. Mit einer speziell entwickelten Technik, hat das Team bereits embryonalen Stammzellen zu teilweise Hypophyse und sogar Teile der Gehirne überredet. Ihr größte Erfolg bisher wächst teilweise embryonale Augen, komplett mit Netzhautgewebe lichtempfindlichen Zellen, in der Hoffnung auf die Entwicklung einer neuen stammzellbasierte Therapie für verschiedene Krankheiten, die zu Erblindung führen.

"Wir wirklich nicht wissen, wohin wir gehen, damit" Yoshiki Sasai, dem damaligen Direktor des Labors und der stellvertretende Direktor der VSB, erzählte mir. "Wir sind wirklich auf die letzte Grenze, mit Blick auf eine unbekannte Welt."

In den frühen 1920er Jahren vorgesehenen Experimente entscheidende Details über den frühesten Stadien der Entwicklung des Gehirns.

Zu Beginn der Entwicklung eines Organismus durchläuft der Embryo einen Prozess namens Gastrulation. Diese seismische Ereignis ändert drastisch die entwicklungspolitische Landschaft durch eine Reihe von Masse Zelle Migrationen, Umwandlung des wachsende Embryos aus einer hohlen Kugel von identischen Zellen, eine feste Struktur, die drei Schichten, enthält jeweils auf verschiedene Formteile des erwachsenen Körpers geht. Das Nervensystem bildet zunächst als flache Streifen des Gewebes auf die äußere Schicht oder Ektoderm. Dieses Blatt verdickt und erweitert und dann in einem Prozess namens Neurulation, faltet sich selbst, ein hohles Rohr bilden, das Weg von der Oberfläche des Embryos kneift und senkt sich unter ihm. Dieses Rohr wird schließlich das Gehirn und Rückenmark, während der Rest von dem Ektoderm Form Haut geht auf.

Hans Spemann, deutscher Embryologe, begann die Untersuchung Embryonalentwicklung an der Wende des 20. Jahrhunderts. Spemann erfreute sich an seiner eigenen mikrochirurgischen Instrumente und ermutigte seine Schüler, das gleiche zu tun. Mit feinen Schlaufen aus Haarsträhnen gerupft aus seiner eigenen Tochter Kopf gemacht, er akribisch Amphibien Embryonen in zwei geteilt, und festgestellt, dass nur die Hälfte enthält, die ein kleines Stück des Gewebes gehen würde zu einer Kaulquappe entwickeln. Dieses kleine Stück ist dazu bestimmt, um was kam, als Spemann Veranstalter, die Struktur bekannt sein aus dem alle Völkerwanderungen während Gastrulation – und damit Ihre körpereigenen Bildung – beginnen zu bilden.

Spemann führte auch Experimente in welches, die Gewebe aus dem Molch oder Salamander Embryonen einer Spezies in die Embryonen eines anderen transplantiert wurden. Dies erlaubte es ihm, das endgültige Schicksal des transplantierten Gewebes zu verfolgen, da es anders aus, die von dem Host unter die Lupe genommen sah. Bei einer Gelegenheit Spemann Veranstalter Gewebe aus einem Embryo zu einem anderen übertragen und fand, dass es eine sekundäre Körperachse, komplett mit einem formvollendeten zweite Nervensystem auslösen könnte.

Bei Hilde Proescholdt seinem Labor als Doktorand, drängte Spemann sie, die Angelegenheit weiter zu untersuchen. Sie tat dies mit zwei Molch-Arten mit verschiedenen Hautfarben und ihren Experimenten bestätigt, dass Spemann Veranstalter die Bildung von eine zweite Körperachse induzieren konnte und Nervensystem nach Transplantation – effektiv erstellen Twin Kaulquappen verbunden. Wichtig ist, das zweite Nervensystem Wirtsgewebe, entstammt nicht dem der Spenderin. So, Spemann Veranstalter irgendwie in der Nähe von Zellen, die Form des Nervengewebes verursacht.

Nach der Arbeit an ihrer Dissertation, heiratete Proescholdt Otto Mangold, ein anderes Mitglied des Spemann Lab. Kurz darauf explodiert eine Gas-Heizung in der Küche ihrer Heimat Berlin, und starb an schweren Verbrennungen. Wenn ihre Ergebnisse nach ihrem Tod veröffentlicht wurden, vorausgesetzt Embryologen Spemann Veranstalter ein Protein absondert, die induziert der Bildung des Nervensystems und verschlüsselt, um ihn zu identifizieren.

Die Suche dauerte fast 70 Jahren. Dann, Anfang der 1990er Jahre zwei Forscherteams identifiziert zwei verschiedene Proteine, Follistatin und Birne – letztere benannt nach einem britischen Slang-Begriff für "Kopf" –, die durch Spemann Veranstalter abgesondert werden. Zu jedermanns Überraschung, diese Proteine nicht induzieren Aktivität, aber das Gegenteil: sie wirken indirekt durch "Enthemmung", eine andere Gruppe von Proteinen, die normalerweise Ektoderm Zellen verhindern ein Verdrehen in unreifen Nervenzellen und führen stattdessen Hautzellen zu blockieren. Um ein Neuron zu werden, es stellt sich heraus, ist das Standard-Schicksal für Ektoderm Zellen, wenn Follistatin und Birne führen sie sonst.

"Es war eine sehr spannende Zeit", erinnert sich Andrew Lumsden, Gründer und ehemaliger Direktor des MRC Centre for Developmental Neurobiology in London. "Die Idee, dass die Entwicklung verläuft durch die Blockierung bestimmter Tätigkeiten anstatt verbessern sie ganz Roman war. Es war ein großer Weckruf, weil jeder eine neuronale Induktor seit Spemann und Mangold Arbeit gesucht hatte."

Es war um diese Zeit, die Yoshiki Sasai eine Postdoc-Stelle in Edward De Robertis Lab an der University of California, Los Angeles nahm. Er absolvierte im Jahr 1986 mit einem Medizinstudium an der Universität Kyōto und interessierte sich für die Entwicklung des Gehirns während eines Aufenthalts in der inneren Medizin. Er hatte innerhalb weniger Monate nach Ankunft in LA isoliert das chordin gen, die noch ein weiteres Protein mit der Fähigkeit, Nervengewebe induzieren produziert – und zeigte, dass es funktioniert durch die Blockierung eines Signals, das die Bildung der Haut hervorruft.

Seitdem haben Forschergruppen auf der ganzen Welt viel mehr der Moleküle und Mechanismen der Entwicklung des Gehirns ermittelt. Wir wissen jetzt, dass viele von den Genen, die bei der Partitionierung der sich entwickelnden Nervensystems und generieren die richtigen Arten von Nervenzellen an den richtigen Stellen; Darüber hinaus kennen wir viele der Gene, die Migration von jungen Neuronen leiten (und dann die verzweigten Fasern, die sie erweitern) den richtigen Empfänger.

Dieser Körper des Wissens bildeten die Grundlagen Sasais Arbeit. Was begann wie ein Quest zu verstehen, dass die Entwicklung des Gehirns versehentlich in eine potenziell nützliche Methode, um komplexe Gewebe im Labor wachsen wuchs. Dies kann wiederum dazu beitragen, um einige der Geheimnisse der Morphogenese – den Prozess zu entwirren, mit denen ein flaches Blatt des Gewebes letztlich in ein Full-size Gehirn mit eine sehr wechselhafte Großhirnrinde umgewandelt wird.

Als ich Ende Januar auf der CDB ankomme, Sasai ist in großen Nachfrage: seine Kollegen haben gerade eine große Stammzell-Entdeckung, die Sasai eine kleine in Rolle veröffentlicht. Mehrere japanische Fernsehteams Nachrichten stehen zwischen mir und meinem arrangierten Interview, alles für mein Thema Aufmerksamkeit wetteifern.

Über die Star Trek ist Plakat einen Meeting-Raum mit einem großen Tisch und ein Whiteboard stehen. Bücher und Fachzeitschriften säumen zwei Mauern. Hinter einer Tür ist Sasai Büro, und ich sehe, wie zwei Verwaltungsassistenten ein-und huschen. Hinter einer anderen Tür ist die wichtigsten Labor-Bereich, einen großen Raum in kleinere Abschnitte unterteilt, von Regalen gestapelt mit Flaschen von Reagenzien und Laborbänke vollgestopft mit Zentrifugen und Boxen von Einweg-Pipettenspitzen und Latex-Handschuhe. Ich nehme einen Platz hinter dem Tisch und warten.

Über den Flur sind mehrere andere Zimmer, alle mit ordentlich ausgerichteten Reihen von Pantoffeln, draußen zu sitzen. Diese Zimmer beherbergen mehr Spezialgeräte. In einem ist ein Rasterkraftmikroskop ausgestattet mit mikroskopischen Kragarme, die Sasai und seine Kollegen verwenden, um die winzigen mechanischen Kräfte beteiligt Morphogenese zu messen. In der anderen ist ein Spinning Disk konfokale Inkubation Mikroskop, in denen das Team ihrer Labor-grown Gewebe Filmen wie sie Schnalle und entfalten.

Diese komplexe Gewebe wächst sehr viel schwieriger als wachsende Blätter von Haut und Bindegewebe. Sasai und seine Kollegen entwickelten eine neuartige Art und Weise des Anbaus und der Aufrechterhaltung von embryonalen Stammzellen in einer 3D-Umgebung – in das Kulturmedium, das nährt sie, anstatt flach auf der Oberfläche einer Petrischale ausgesetzt. Sie haben festgestellt, dass embryonaler Stammzellen, die in dieser Weise gewachsen spontan organisieren können selbst komplexe Gewebe bilden, aus denen sich Augen, Drüsen und Hirngewebe.

Sasai konzipiert die Methode im Jahr 2000, nach der Rückkehr nach Kyoto und seinem eigenen Labor es einrichten. Da wuchs sein Interesse an der Entwicklung des Gehirns, entwickelt er und seine Kollegen eine Zelle-Kultur-Methode zur Umwandlung von embryonalen Stammzellen der Maus in verschiedenen Arten von Neuronen. Ihre ersten Versuche beteiligt wachsenden Zellen in Petrischalen neben "Feeder" Zellen, die die Signale für sie jenseits ihrer embryonalen Zustand Reifen und Reifen Neuronen differenzieren brauchten absondern.

Die Methode war jedoch nicht besonders effizient; nur ein kleiner Teil der Stammzellen wurde Reife Neuronen. Sasai vermutet, dass das hatte etwas mit ausgedachten Umwelt zu tun, in dem die Zellen aufrechterhalten wurden. Die Petrischale wurde auf der ganzen Welt verwendet, um Bakterien und andere Zellen wachsen seit 1887 – aber es ist eben und flach und realen Entwicklung erfolgt in drei Dimensionen. Sasai begründete, dass die Petrischale war einschränkend die Stammzellen und ihre Entwicklungsmechanismen von spielen zu verhindern, und setzte über die Erarbeitung einer "schwebenden" Zellkultursystem.

Er begann zu wachsen embryonalen Stammzellen der Maus in 96-Well-Platten, die in der Regel verwendet werden, für die Lagerung von kleinen Mengen von Flüssigkeiten oder Gewebeproben. Sasai Team hatte zunächst Mühe, die Zellen zu verklumpen. "Wir arbeiteten zusammen mit einer Firma, die Platten zu diesem Zweck zu optimieren," er sagte mir, bescheiden – Lügen strafte die herausfordernde Natur der Methode, die andere gekämpft hatten zu meistern. Sie hielten auch mit dem standard Kulturmedium, enthält einen Cocktail aus verschiedenen Wachstumsfaktoren und Signalisierung Moleküle (einschließlich einige unbekannte), für ihre eigene Mixturen.

Das Team verbrachte fünf Jahre an der Entwicklung der Technik. Im Jahr 2005 hatte es perfektioniert. Gruppen von rund 3.000 embryonale Stammzellen würden verklumpen, wenn unter diesen Bedingungen bilden kugelförmige Strukturen, so genannte Embryoid Körper-wie Aggregate gewachsen. Da die Zellen in Kontakt miteinander kommen, können sie in fast genau der gleichen Weise kommunizieren, als sie in den wachsenden Embryo würden. Denn Nervengewebe den Standardzustand des Ektoderm, werden die Embryoid Körper darüber hinaus schnell mit unreifen Nervenzellen angereichert. Embryonaler Stammzellen mit Sasais Technik gewachsen kann daher wesentlich effizienter als die Erwachsenen in Petrischalen Reifen Neuronen erzeugen. Das Team hat gezeigt, dass die Technik auch verwendet werden, kann Koax embryonalen Stammzellen differenzieren in verschiedene Typen von Neuronen, einschließlich die Mittelhirn Neuronen, die den Neurotransmitter Dopamin (die bei Parkinson ausarten) und zerebelläre Purkinje-Zellen (die in verschiedenen Bewegungsstörungen Absterben) zu produzieren.

"In der Gebärmutter, der Embryo entwickelt sich in drei Dimensionen" Sasai erklärte, "so dass embryonaler Stammzellen gewachsen, mit unserer Methode Entwicklung mehr reibungslos zu imitieren." Befreit von den Zwängen der Petrischale, und die richtige Kombination der Signal-Moleküle zugeführt, gehen die Embryoid Körper-wie Aggregate durch die Bewegungen der Entwicklung.

Aufbauend auf ihre ersten Ergebnisse, Sasai Team auch herausgefunden, dass embryonaler Stammzellen, die in dieser Weise gewachsen selbst organisieren können in geschichteten Strukturen ähnlich der Hirnrinde des 15-Tag-alte Maus. Der Kortex besteht aus sechs verschiedene Ebenen, die jeweils bestimmte Arten von Zellen, die in einer bestimmten Weise angeordnet. Diese Form nach dem anderen von innen nach außen, wie aufeinanderfolgenden Wellen von jungen Neuronen wandern durch das embryonale Gehirn in den frühen Stadien der Entwicklung. Embryonaler Stammzellen in 3D Kultur gezüchtet können sich um diese Prozesse zu imitieren, was zu mehrschichtige Gewebe mit den richtigen Arten von Neuronen an den richtigen Stellen neu anordnen. Sei es gelungen, bei etwas an die anderen bisher gescheitert: wächst ein Gehirn – oder zumindest Teile von einem – im Labor.

Als Sasai für unser Interview ankam, war er ruhig, zurückhaltend und scheinbar unbeirrt durch die Medien-Chaos auf dem Flur. Als er unten am Tisch neben mir saß, brachte uns seine Assistentin Grüntee. Ich fragte ihn nach dem Star Trek -Plakat. Er war kein großer Fan, sagte er, aber er hielt es für angebracht, weil er keine Ahnung hatte, wo seine Arbeit auf Labor-grown Organe führen könnte.

Hirngewebe ist die wenigsten komplexe Strukturen, die das Team erstellt. Wenn unter etwas anderen Bedingungen angebaut, imitieren sie ein weiteres komplexes Organ.

Nach einigen Tagen des Wachstums in der aufgehängte Kultur ändern Sasai Ektoderm Zellen spontan Form. Zuerst nach außen ragen, dann leicht nach innen eine schalenförmige Struktur zu bilden, die embryonalen Auges ähnelt und enthält unreife Netzhautzellen zusammenbrechen. Wenn dieses Gewebe heraus und kultivierten separat für zwei weitere Wochen geschnitten wird, entwickelt sich weiter, bilden eine Netzhaut mit sechs Ebenen, die das Auge von einer 8-Tag-alte Maus ähnelt.

In jüngerer Zeit, im Jahr 2011 Sasai Team berichtet, dass sie ihre Zellkultursystem benutzt hatten, teilweise Hypophyse wachsen. Die Hypophyse wird oft als "Hauptdrüse" bezeichnet, denn es steuert die Produktion von Hormonen, die dann anderen Drüsen steuern. Sasai des Labor-grown Hypophysen Form aus Interaktionen zwischen Gewebe aus zwei unterschiedlichen Regionen des Embryos; Ihre Sitzung verursacht Teil Ektoderm unterheben auf sich selbst zu lösen, so dass eine kleine Tasche. Zellen in diese Tasche weiter verändern, sechs verschiedenen Arten von Hormon-sezernierenden Neuronen gefunden in der Reife Hypophyse erzeugen. Es dauert ungefähr drei Wochen um zu wachsen, und selbst dann ist es noch nicht vollständig, aber Sasai Labor-grown teilweise Drüsen können bereits vollständig wiederherstellen Hormonproduktion bei in Mäusen verpflanzt deren Hypophysen operativ entfernt worden war.

Welche Sasai Team zu tun, um Gewebe zu wachsen scheint bestechend einfach. Embryonaler Stammzellen von Mäusen geerntet und direkt in die optimierte 96-Well-Platten gelegt. Jedes enthält auch etwa 0,3 ml eines spezifischen Wachstumsraten Mediums – eine für Hirngewebe, ein anderes für Hypophyse Gewebe und eine dritte für embryonale Augen. Sobald diese Platten in einem Inkubator übertragen werden, beginnt der Prozess.

Letztlich wollen das Team diese Gewebe im industriellen Maßstab zu therapeutischen Zwecken zu wachsen. "Eine einfache Anwendung Zell-Transplantation-Therapie für Patienten mit Wachstumshormonmangel," sagte Sasai. In ähnlicher Weise könnte der retinalen Gewebe, die sie wachsen schließlich zu Therapien für Krankheiten wie Makula-Degeneration und Retinitis Pigmentosa, die zur Erblindung führen. "Wir sind jetzt die Funktionalität der Gewebe getestet, durch Pfropfung sie in blinde Tiere."

Augenarzt Robin Ali UCL und Kollegen haben bereits in teilweise blinde Erwachsene Tiere unreife Netzhautzellen von jungen Mäusen verpflanzt, und kürzlich berichtet, dass sie einige visuelle Funktion wiederherstellen können. Sie arbeiten jetzt mit Masayo Takahashi, ein anderer Kollege von Sasai am RIKEN CDB, dasselbe mit Netzhautgewebe gewachsen mit Sasais 3D Culture Methode zu tun. Takahashi plant auch die Netzhaut in Affen zu verpflanzen. Im vergangenen Jahr kündigte sie ein Piloten zu studieren, um die Wirksamkeit der Transplantation von menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleitet Netzhautzellen in Menschen mit Makuladegeneration zu testen, und sie seit kurzem Teilnehmer.

Einer der frühesten verwendet den Begriff "regenerative Medizin" in einem Artikel 1992 durch Gesundheitswesen Futurist Leland Kaiser, als den Untertitel zu einem kurzen Abschnitt beschreibt einen "neuen Zweig der Medizin..., die versucht wurde, den Verlauf der chronischen Krankheit And...regenerate müde und Organsysteme nicht ändern". Durch die Arbeit von u.a. Sasai scheint nun diesen Zweig Knospen werden.

Nicht jeder ist überzeugt, jedoch. "Es gibt eine Menge Hype um"Gebäude Köpfe"," sagt Lumsden. "Man können keine Gehirn bauen. Sie können Blöcke von Gewebe enthalten Neuronen wachsen können, aber sie nicht größer als eine Erbse."

"Das Problem ist, dass diese Dinge abhängig von Größe,", sagt er. "Sie können keine große Masse von Gewebe ohne Blutversorgung, wachsen, so eine Zelle innerhalb von etwa fünf Zelle Durchmesser der nächstgelegenen Kapillare am Leben zu bleiben muss." Infolgedessen ist die Größe der Labor-grown Gewebe streng limitiert auf mehrere Millimeter. Es ist unwahrscheinlich, dass Sasais 3D Culture Methode auf etwas viel über embryonale Augen und teilweise Hypophysen ausgedehnt werden könnte.

Andere Frage die Strategie der Labor-grown Organe in Patienten transplantieren. "So ordentlich selbstorganisierende Gehirne und Augen sind, ich glaube nicht, dass eine Therapie an sich ist", sagt Chris Mason, Professor für regenerative Medizin bioprocessing an der UCL. "Warum warten, für den Patienten zu erblinden bevor Sie etwas so großes durchführen? Wir sollten früh und so wenig wie möglich eingreifen. Wenn ein Feuer in Ihrem Haus beginnt, Sie streckte es sofort – Sie nicht warten, bis das ganze Haus niederbrennen und dann neu erstellen."

Das wirkliche Potential der regenerativen Medizin nach Mason, liegt in der Fähigkeit, Zellen aus Patienten wachsen. "Ich glaube, der Wert ist, dass wir Krankheiten besser verstehen können," sagt er. "Sie könnten Neuronen von induzierten pluripotenten Stammzellen von Patienten mit Parkinson oder Motoneuron machen. Sie werden uns geben eine echte Chance, den Krankheitsprozess besser zu verstehen und neue Medikamente zu suchen, die entweder die Krankheit rückgängig zu machen oder es zu verhindern."

Doch als ich Sasai traf, er glaubte, dass seine Methode letztlich führen würde, was er weniger bescheiden genannt "Next, Next Generation" Therapien. Er hoffte, dass bestimmte Arten von Labor-grown Neuronen verwendet werden, könnte um neue Therapien zu entwickeln, die die Zellen zu ersetzen, die bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Motoneuron-Erkrankungen, oder infolge von Schlaganfall oder jede andere Art von Hirn-Trauma sterben.

Am 5. August 2014 wurde Yoshiki Sasai tot neben seinem Labor gefunden. Sein Tod war einem scheinbaren Selbstmord: das tragische Ergebnis von einem Skandal um die Januar Stammzell-Entdeckung, die in der Naturund seiner eventuellen Rücknahme veröffentlicht wurde. "Die wissenschaftliche Welt hat eine talentierte und engagierte Forscher, der unseren tiefen Respekt für die Spitzenforschung, was, die er über viele Jahre durchgeführt verdient, verloren", sagte Ryōji Noyori, Präsident von RIKEN in einer Erklärung am Sasais Todes. Zum Zeitpunkt des Schreibens hatte ein unabhängiges Komitee empfohlen, dass die CDB demontiert werden.

Sasai wurde von jeglicher Einmischung in das Fehlverhalten geräumt, aber er wurde kritisiert, nicht richtig arbeiten und der Forscher verantwortlich zu überwachen. Er hatte geholfen, das Zentrum im Jahr 2000 zu etablieren, und die Arbeit seines Teams hatte, legte es auf der Karte als Weltklasse-Forschungseinrichtung. Er fühlte sich angeblich "zutiefst beschämt" über den Vorfall, die seiner Institution und sich selbst verschlungen hatte.

Sitzen mit mir im Raum auf, dass regnerischen Morgen Januar, Sasai bestätigt die Herausforderungen für seine Forschungen aber war zielstrebig und optimistisch in Bezug auf ihr Potenzial. "Wir versuchen jetzt, Neuronen aus humanen embryonalen Stammzellen zu erzeugen," sagte er, "aber effizienter Ersatz ist noch technisch anspruchsvoll, und wir versuchen, das Verhalten der transplantierten Zellen mittels optischen Bildgebung zu überwachen." Er sagte voraus, dass seine Labor-grown Netzhautgewebe wäre bereit für die Prüfung beim Menschen innerhalb von fünf Jahren und Ersatz-Organe außerhalb des Körpers gezüchtet in den nächsten zehn Jahren an der Tagesordnung wäre.

Jedoch sagte er, er immer noch nicht erklären konnte wie Zellen sich selbst zu organisieren in solchen komplexen Gewebe. "Es ist überraschend zu sehen, geordnete Strukturen entstehen ohne äußere Kräfte und Einflüsse", erzählte er mir, verglich es um Politik – eine Art der zellulären Demokratie. Während der gesamten Entwicklung der Zellen handeln und Verhalten gegenseitig beeinflussen; schieben und ziehen, sie drängeln sich für Raum und Kämpfe um die begrenzte Menge an Ressourcen, die sie benötigen, um wachsen.

"Selbstorganisation" das alles, was diese Prozesse demokratisch geregelt werden bedeutet", sagte er. "Der ganze Prozess ist völlig Selbstfahrer. Die Zellen wissen, wie man die Optik Tasse oder geschichteten Kortex. Ich nicht sagen, was zu tun – sie reden miteinander und für sich selbst entscheiden."

Sasai glaubte, dass Selbstorganisation ergibt sich nur aus Populationen einer bestimmten Größe. "Diese Art der Sache nur in Gruppen von etwa 1.000 bis 100.000 Zellen gesehen werden kann," sagte er. "Auf diesem Niveau Zellen können direkt demokratisch sein und brauchen eine spezielle Gouverneur oder Präsident sie orchestrieren." In einem Dorf von mehreren hundert Menschen wahrscheinlich zusammenkommen und entscheiden, was zu tun, aber ein Land wäre ein totales Durcheinander ohne Regierung."

"Selbstorganisation ist so geheimnisvoll," fuhr er fort, seine reservierte Haltung weicht eine kindliche Neugier. "Wir können noch nicht erklären warum die Zellen kommen zusammen, um ein Auge zu machen. Weitere Grundsätze, die wir noch immer noch nicht verstehen muss vorhanden sein. "Es ist etwas, das macht mich völlig in Ehrfurcht vor Leben."

Referenzen


Die klassischen Experimente von Spemann und Mangold hat gezeigt, dass ein kleines Stück Gewebe, das später benannt "Spemann Veranstalter," induzieren können umliegende Gewebe zu bilden ein Nervensystem, wenn aus einem Embryo zu einer anderen transplantiert.

Schlüssel-2007 Abhandlung von Shinya Yamanaka und Kollegen zeigen, dass Bindegewebszellen, die vom erwachsener Menschen gemacht zu einem undifferenzierten, Stammzell-ähnlichen Zustand zurückkehren und dann neu, um jeden Zelltyp im Körper zu bilden programmiert.

Anthony Atala und Kollegen berichtet im Jahr 2014, dass sie Labor-grown Vaginas in vier Mädchen im Teenageralter erfolgreich verpflanzt hatte.

Sasai und seine Kollegen im Jahr 2011 zeigt, dass ES angebaut in 3D Culture Zellen organisieren sich Formteile der Hypophyse.

Sasai Team berichtet im Jahr 2012, dass ES-Zellen in der gleichen Weise gewachsen auch embryonale Augen mit Netzhautgewebe mit lichtempfindlichen Sehzellen bilden können.

Mitwirkende

  • Autor: Moheb Costandi
  • Herausgeber: Mun-Keat Looi
  • Dokumentarfilmer: Katie Palmer
  • Lektorat: Kirsty Strawbridge

Dieser Artikel erschien am Mosaik und ist hier unter Creative Commons Lizenz veröffentlicht. Mosaik widmet sich der Erforschung der Wissenschaft vom Leben. Jede Woche veröffentlicht er eine Funktion auf einen Aspekt der Biologie oder Medizin, die unser Leben, unsere Gesundheit oder unserer Gesellschaft beeinflusst; Es erzählt die Geschichten mit echter Tiefe Ideen, Trends und Leute, die modernen Biowissenschaften zu fahren. Mosaik wird herausgegeben von der Wellcome Trust, eine globale, gemeinnützige Stiftung, die außerordentliche Verbesserungen in menschliche und tierische Gesundheit sucht. Es behandelt Themen, die mit dem Vertrauen Mission und Vision passen, aber nicht beschränkt auf die Forschung der Treuhandfonds.

Bild von Andre Nitsievsky/Shutterstock

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Er ging in den Wald und machte einen Bogen und einen Pfeil von Grund auf neu

Es wird geschätzt, dass Menschen mit den grundlegenden Bauplan für Pfeil und Bogen rund 64.000 Jahren aufkam. Während es war einmal eine innovative und Hightech-Waffe, es gilt heute als eher primitiv, vor allem im Vergleich zu einigen der Jagdwaffen besch...