Source: Scientists grow whole model of human embryo, without sperm or egg

Source (EN):

Scientists grow whole model of human embryo, without sperm or egg

Scientists have grown an entity that closely resembles an early human embryo, without using sperm, eggs or a womb.

The Weizmann Institute team say their "embryo model", made using stem cells, looks like a textbook example of a real 14-day-old embryo.

It even released hormones that turned a pregnancy test positive in the lab.

The ambition for embryo models is to provide an ethical way of understanding the earliest moments of our lives.

The first weeks after a sperm fertilises an egg is a period of dramatic change - from a collection of indistinct cells to something that eventually becomes recognisable on a baby scan.

This crucial time is a major source of miscarriage and birth defects but poorly understood.

"It's a black box and that's not a cliche - our knowledge is very limited," Prof Jacob Hanna, from the Weizmann Institute of Science, tells me.

Starting material

Embryo research is legally, ethically and technically fraught. But there is now a rapidly developing field mimicking natural embryo development.

This research, published in the journal Nature, is described by the Israeli team as the first "complete" embryo model for mimicking all the key structures that emerge in the early embryo.

"This is really a textbook image of a human day-14 embryo," Prof Hanna says, which "hasn't been done before".

Instead of a sperm and egg, the starting material was naive stem cells which were reprogrammed to gain the potential to become any type of tissue in the body.

Chemicals were then used to coax these stem cells into becoming four types of cell found in the earliest stages of the human embryo:

• epiblast cells, which become the embryo proper (or foetus)
• trophoblast cells, which become the placenta
• hypoblast cells, which become the supportive yolk sac
• extraembryonic mesoderm cells

A total of 120 of these cells were mixed in a precise ratio - and then, the scientists step back and watch.

About 1% of the mixture began the journey of spontaneously assembling themselves into a structure that resembles, but is not identical to, a human embryo.

"I give great credit to the cells - you have to bring the right mix and have the right environment and it just takes off," Prof Hanna says. "That's an amazing phenomenon."

The embryo models were allowed to grow and develop until they were comparable to an embryo 14 days after fertilisation. In many countries, this is the legal cut-off for normal embryo research.

Despite the late-night video call, I can hear the passion as Prof Hanna gives me a 3D tour of the "exquisitely fine architecture" of the embryo model.

I can see the trophoblast, which would normally become the placenta, enveloping the embryo. And it includes the cavities - called lacuna - that fill with the mother's blood to transfer nutrients to the baby.

There is a yolk sac, which has some of the roles of the liver and kidneys, and a bilaminar embryonic disc - one of the key hallmarks of this stage of embryo development.

'Making sense'

The hope is embryo models can help scientists explain how different types of cell emerge, witness the earliest steps in building the body's organs or understand inherited or genetic diseases.

Already, this study shows other parts of the embryo will not form unless the early placenta cells can surround it.

There is even talk of improving in vitro fertilisation (IVF) success rates by helping to understand why some embryos fail or using the models to test whether medicines are safe during pregnancy.

Prof Robin Lovell Badge, who researches embryo development at the Francis Crick Institute, tells me these embryo models "do look pretty good" and "do look pretty normal".

"I think it's good, I thinks it's done very well, it's all making sense and I'm pretty impressed with it," he says.

But the current 99% failure rate would need to be improved, he adds. It would be hard to understand what was going wrong in miscarriage or infertility if the model failed to assemble itself most of the time.

Legally distinct

The work also raises the question of whether embryo development could be mimicked past the 14-day stage.

This would not be illegal, even in the UK, as embryo models are legally distinct from embryos.

"Some will welcome this - but others won't like it," Prof Lovell-Badge says.

And the closer these models come to an actual embryo, the more ethical questions they raise.

They are not normal human embryos, they're embryo models, but they're very close to them.

"So should you regulate them in the same way as a normal human embryo or can you be a bit more relaxed about how they're treated?"

Prof Alfonso Martinez Arias, from the department of experimental and health sciences at Pompeu Fabra University, said it was "a most important piece of research".

"The work has, for the first time, achieved a faithful construction of the complete structure [of a human embryo] from stem cells" in the lab, "thus opening the door for studies of the events that lead to the formation of the human body plan," he said.

The researchers stress it would be unethical, illegal and actually impossible to achieve a pregnancy using these embryo models - assembling the 120 cells together goes beyond the point an embryo could successfully implant into the lining of the womb.

Target (ID):

Ilmuwan menumbuhkan model utuh embrio manusia, tanpa sperma atau sel telur

Para ilmuwan telah berhasil mengembangkan entitas yang sangat menyerupai embrio manusia pada tahap awal, tanpa menggunakan sperma, sel telur, atau rahim.

Tim dari Institut Weizmann menyatakan bahwa "model embrio" yang mereka buat dengan menggunakan sel punca menyerupai sebuah contoh yang mirip dengan embrio manusia berusia 14 hari yang dapat ditemukan dalam buku teks.

Bahkan, entitas ini mengeluarkan hormon yang akan menghasilkan hasil positif pada tes kehamilan ketika diuji di laboratorium.

Tujuan dalam menciptakan model embrio adalah untuk memberikan pendekatan etis dalam memahami tahap-tahap awal kehidupan manusia.

Pada minggu-minggu awal setelah pembuahan sperma dan sel telur, terjadi perubahan dramatis, dari sekumpulan sel yang tidak terdefinisi menjadi suatu entitas yang akhirnya dapat dikenali melalui pemindaian bayi.

Waktu yang krusial ini menjadi penyebab utama terjadinya keguguran dan cacat lahir, tetapi masih kurang dipahami.

"Kami seperti memiliki kotak hitam, dan ini bukan sesuatu yang klise - pengetahuan kami sangat terbatas," ujar Profesor Jacob Hanna dari Institut Sains Weizmann.

Bahan awal

Penelitian embrio ini penuh dengan masalah hukum, etika, dan teknis. Namun, saat ini ada bidang yang berkembang pesat yang meniru perkembangan embrio alami.

Penelitian ini, yang dipublikasikan dalam jurnal Nature, digambarkan oleh tim dari Israel sebagai model embrio "lengkap" pertama yang meniru semua struktur kunci yang muncul pada embrio awal.

"Ini benar-benar gambaran buku teks dari embrio manusia pada hari ke-14," kata Profesor Hanna, yang "belum pernah dilakukan sebelumnya".

Daripada menggunakan sperma dan sel telur, bahan awalnya adalah sel punca yang diubah ulang menjadi memiliki potensi untuk berkembang menjadi berbagai jenis jaringan dalam tubuh.

Kemudian, bahan kimia digunakan untuk mendorong sel punca ini menjadi empat jenis sel yang biasanya ditemukan pada tahap awal embrio manusia:

• sel epiblast, yang berkembang menjadi embrio yang tepat (atau janin)
• sel trofoblas, yang menjadi plasenta
• sel hipoblas, yang akan membentuk kantung kuning telur
• sel mesoderm ekstraembrionik

Sebanyak 120 sel ini dicampur dalam perbandingan yang tepat - dan kemudian para ilmuwan mundur untuk mengamati.

Sekitar 1% dari campuran tersebut mulai secara spontan berkembang menjadi struktur yang menyerupai, meskipuni tidak identik dengan, embrio manusia.

"Saya sangat menghargai sel - dengan membawa perbandingan yang tepat dan menciptakan lingkungan yang sesuai, semuanya akan berjalan dengan sendirinya," kata Prof Hanna. "Itu adalah fenomena yang luar biasa."

Model embrio dibiarkan tumbuh dan berkembang hingga mencapai tahap yang setara dengan embrio manusia pada usia 14 hari setelah pembuahan. Di banyak negara, ini adalah batas waktu hukum yang mengatur penelitian pada embrio manusia yang normal.

Meskipun kita berada dalam panggilan video tengah malam, saya bisa merasakan antusiasme dalam suara Prof Hanna saat ia memberikan saya tur 3D dari "arsitektur yang sangat luar biasa" dari model embrio ini.

Saya bisa melihat trofoblas, yang biasanya berkembang menjadi plasenta, menyelimuti embrio tersebut. Ini juga mencakup rongga, yang disebut lakuna, yang berisi darah ibu untuk mengirimkan nutrisi ke bayi.

Ada juga kantung kuning telur yang memiliki beberapa peran, seperti hati dan ginjal sementara ada juga cakram embrio bilaminar, salah satu ciri utama dalam tahap perkembangan embrio ini.

'Masuk akal'

Harapannya adalah bahwa model embrio ini dapat membantu para ilmuwan memahami bagaimana berbagai jenis sel muncul, mengamati langkah-langkah awal dalam pembentukan organ tubuh, serta memahami penyakit genetik dan yang diturunkan

Penelitian ini menunjukkan bahwa bagian-bagian lain dari embrio tidak akan terbentuk kecuali jika sel-sel plasenta awal dapat mengelilinginya.

Bahkan ada pembicaraan untuk meningkatkan tingkat keberhasilan fertilisasi in vitro (IVF) dengan menggunakan pemahaman yang diperoleh dari model ini untuk mengatasi kegagalan embiro, atau bahkan menguji apakah obat-obatan aman selama kehamilan.

Profesor Robin Lovell Badge, seorang peneliti yang fokus pada perkembangan embrio di Institut Francis Crick, mengatakan bahwa model embrio ini "terlihat cukup baik" dan "menggambarkan kondisi yang cukup normal."

"Menurut saya, ini adalah prestasi yang luar biasa, semuanya terlihat terencana dengan baik, dan saya sangat terkesan," katanya.

Namun, dia juga menyebutkan bahwa tingkat kegagalan yang mencapai 99% saat ini masih menjadi masalah yang perlu diatasi. Sulit untuk memahami penyebab keguguran atau ketidaksuburan jika model ini gagal membentuk dirinya sendiri hampir sepanjang waktu.

Berbeda secara hukum

Penelitian ini juga menimbulkan pertanyaan apakah perkembangan embrio dapat disimulasikan melewati tahap 14 hari.

Hal ini tidak akan melanggar hukum, bahkan di Inggris, karena model embrio memiliki status hukum yang berbeda dengan embrio yang sebenarnya.

"Beberapa orang mungkin menyambut dengan baik ide ini, tetapi ada juga yang mungkin tidak setuju," kata Profesor Lovell-Badge.

Semakin mendekati embrio manusia yang sebenarnya, semakin banyak pertanyaan etis yang muncul.

Meskipun mereka bukan embrio manusia normal, model-model ini sangat mirip dengan manusia.

"Jadi, apakah Anda harus memperlakukan mereka dengan cara yang sama seperti embrio manusia normal atau apakah Anda bisa lebih fleksibel dalam pendekatan mereka?"

Profesor Alfonso Martinez Arias, dari departemen ilmu eksperimental dan kesehatan di Universitas Pompeu Fabra, menganggap ini sebagai "penelitian yang sangat penting".

"Untuk pertama kalinya, penelitian ini berhasil membangun struktur lengkap [embrio manusia] dari sel punca di laboratorium," ujarnya, "sehingga membuka pintu bagi penelitian tentang peristiwa-peristiwa yang mengarah pada pembentukan rencana tubuh manusia," katanya.

Para peneliti menekankan bahwa tidak etis, ilegal, dan sebenarnya tidak mungkin untuk mencapai kehamilan dengan menggunakan model embrio ini - merakit 120 sel menjadi satu tidak akan berhasil menanamkan embrio ke dalam lapisan rahim.