19 februari

Wetenschappers ontwikkelen nauwkeuriger stamcel-model voor vroege embryonale ontwikkeling van muizen

Terug naar nieuws

Wetenschappers van het Hubrecht Institute (KNAW) hebben in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Cambridge (UK) complexe embryo-achtige structuren gemaakt uit muizenstamcellen. Deze structuren, genaamd gastruloïden, maken nu voor het eerst ook somieten, blokjes weefsel die later de ruggenwervels en spieren vormen. Het is nog niet eerder gelukt om zulke complexe embryo-achtige structuren te maken die dit ontwikkelingsstadium, dat plaatsvindt na implantatie in de baarmoeder, na te bootsen. Dit modelsysteem, dat op 19 februari 2020 is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, kan worden gebruikt om de embryonale ontwikkeling te bestuderen in een petrischaal.

Tijdens de embryonale ontwikkeling groeit een bevruchte eicel uit tot een volledig organisme. Er is echter nog veel onbekend over de processen die de embryonale ontwikkeling van zoogdieren sturen. Hoe wordt bijvoorbeeld bepaald hoeveel wervels er in onze ruggengraat moeten groeien, of aan welke kant van het lichaam het hart gevormd moet worden? Soms gaat er in deze processen iets mis. Hoe komt dat dan? En kunnen we dat voorkomen? Welke stoffen zijn eigenlijk wel en juist niet goed voor de embryonale ontwikkeling? Studies die onderzoek doen naar dit soort vragen worden vaak gedaan met behulp van muizenembryo’s. De ontwikkeling van muizenembryo’s vindt echter plaats in de baarmoeder, en het is niet eenvoudig om deze embryo’s in grote aantallen te verkrijgen. Wetenschappers uit de onderzoeksgroepen van Alexander van Oudenaarden en Katharina Sonnen (Hubrecht Institute) en de onderzoeksgroep van Alfonso Martinez Arias (Universiteit van Cambridge) zijn daarom bezig met het ontwikkelen van een alternatief: gastruloïden, in het lab gekweekte embryo-achtige structuren gemaakt van stamcellen.

Foto van een gastruloid waarin de somieten, de voorlopers van de ruggenwervels en spieren, blauw aangekleurd zijn. Credit: Vincent van Batenburg, ©Hubrecht Institute.

Somieten
Deze wetenschappers hebben in 2014 voor het eerst embryo-achtige structuren, genaamd gastruloïden, gemaakt uit muizenstamcellen. Nu hebben ze de kweekcondities voor deze gastruloïden verbeterd, wat resulteerde in gastruloïden die de embryonale ontwikkeling nog nauwkeuriger nabootsen. Een belangrijk verbetering van de huidige gastruloïden is dat ze nu ook somieten maken. Somieten zijn ‘blokjes’ weefsel langs de rugkant van het embryo, die later de ruggenwervels en spieren vormen. De huidige gastruloïden zijn dus complexer en lijken meer op muizenembryo’s dan eerdere versies. “Het is nog nooit eerder gelukt om zulke complexe embryo-achtige structuren te maken die dit ontwikkelingsstadium, dat plaatsvindt na de innesteling in de baarmoederwand, nabootsen”, vertelt Susanne van den Brink, een van de wetenschappers aan het Hubrecht Institute. Vincent van Batenburg (Hubrecht Institute) voegt toe: “Het is fascinerend om te zien hoe een klompje stamcellen zichzelf weet te organiseren tot zo’n complexe structuur die in een petrischaal somieten maakt.”

Gastruloïden en embryo’s
De wetenschappers hebben de gastruloïden uitgebreid vergeleken met embryo’s, door te kijken welke cellen en weefsels aanwezig zijn. Daarnaast hebben ze onderzocht waar langs de kop-staart as deze celtypes en weefsels zich bevinden in gastruloïden en embryo’s. Aangezien de combinatie van actieve genen het celtype bepaalt, konden ze de celtypes bepalen door te meten welke genen op welke plek in de embryo’s en gastruloïden actief zijn.

Gastruloids en muizenembryo’s zijn in detail met elkaar vergeleken met behulp van tomo-sequencing. Bij tomo-sequencing wordt het embryo of de gastruloid van kop tot staart in hele dunne plakjes gesneden (blauwe stippellijntjes), waarna precies gemeten kan worden welke genen actief zijn in welk plakje. Credit: Vincent van Batenburg en Susanne van den Brink, © Hubrecht Institute.

State-of-the-art
Voor deze vergelijking tussen gastruloïden en embryo’s hebben de wetenschappers gebruik gemaakt van state-of-the-art technieken, zoals single cell sequencing en tomo-sequencing. Bij single cell sequencing wordt de totale set van actieve genen van elke individuele cel bekeken, maar met deze techniek kan niet bepaald worden waar in het embryo of de gastruloïd deze cel zich bevond. Bij tomo-sequencing daarentegen wordt het embryo of de gastruloïd in hele dunne plakjes gesneden, in dit geval van kop tot staart, zodat precies gemeten kan worden in welk plakje welke genen actief zijn.

Een geschikt model voor embryo’s
Met behulp van deze twee technieken konden de wetenschappers precies bepalen welke celtypes in embryo’s en gastruloïden aanwezig zijn, en waar deze celtypes zich bevinden langs de kop-staart as. Susanne van den Brink (Hubrecht Instituut): “Met behulp van deze technieken hebben we ontdekt dat de gastruloïden heel erg lijken op embryo’s, wat ze geschikt maakt als onderzoeksmodel voor de embryonale ontwikkeling.” Anna Alemany (Hubrecht Institute): “Een belangrijk verschil met embryo’s is echter het ontbreken van hersenen en een placenta in de gastruloïden. Hierdoor zijn de structuren die we in het lab kweken niet levensvatbaar.”

Illustratie van een muizenembryo (links) en een gastruloid (van stamcellen gemaakte embryo-achtige structuur - rechts). De roze-blauw gestreepte blokjes zijn somieten, blokjes weefsel die de voorlopercellen van de ruggenwervels en spieren bevatten. Credit: Núria Taberner, ©Hubrecht Institute.

Ontwikkelingsprocessen bestuderen
De wetenschappers laten met dit onderzoek zien dat gastruloïden ook gebruikt kunnen worden om complexere processen die plaatsvinden in embryo’s, zoals het maken van somieten, te bestuderen. “Een groot voordeel van dit modelsysteem is dat we gemakkelijk grote aantallen gastruloïden kunnen maken. Daardoor kunnen ze bijvoorbeeld gebruikt worden om op grote schaal medicijnen tegen defecten in de embryonale ontwikkeling te testen, of om te onderzoeken welke stoffen toxisch zijn voor ontwikkelende embryo’s,” aldus Alexander van Oudenaarden. De gastruloïden kunnen ook gebruikt worden om bijvoorbeeld te onderzoeken hoe embryonale afwijkingen, zoals afwijkingen in de aanleg van de spieren en het hart, ontstaan.

Publicatie
Single-cell and spatial transcriptomics reveal somitogenesis in gastruloids. Susanne C. van den Brink*, Anna Alemany*, Vincent van Batenburg*, Naomi Moris, Marloes Blotenburg, Judith Vivié, Peter Baillie-Johnson, Jennifer Nichols, Katharina F. Sonnen, Alfonso Martinez Arias & Alexander van Oudenaarden. Nature 2020.
* Shared first authors

Interactieve website: https://avolab.hubrecht.eu/MouseGastruloids2020

 

 

Alexander van Oudenaarden is directeur van het Hubrecht Institute, groepsleider, hoogleraar Kwantitatieve Biologie van Genregulatie bij het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht en Oncode Investigator.

 

 

 

Katharina Sonnen is groepsleider bij het Hubrecht Institute.

Credit: University of Cambridge

 

 

Alfonso Martinez Arias is groepsleider en hoogleraar Developmental Mechanics op de afdeling Genetica van de Universiteit van Cambridge.