לגדול מחוץ לרחם

עוד בתקופת ילדותי בשנות התשעים, חזיונות של עוברים המתפתחים מחוץ לרחם, כפי שהוצגו בסרט המטריקס, למשל, היו שייכים למחוזות המדע הבדיוני. אולם, בתקופה האחרונה פריצות דרך של מעבדות שונות החוקרות את ההתפתחות העוברית מעידות כי גידול עוברים מחוץ לרחם הוא כבר לא בדיוני כשהיה. רק חודשים ספורים חלפו מאז הצליח צוות מחקר ממעבדתו של פרופ' יעקוב חנא ממכון ויצמן למדע לגדל עוברי עכברים מתאי גזע במשך שמונה ימים, ללא רחם, זרע או ביצית, וכבר בימים האחרונים דיווחה מעבדתו על מחקר חדש ששלחו לביקורת עמיתים שטרם הושלמה, בו לטענתם הצליחו לגדל עובר אנושי שמקורו מתאי גזע במשך 14 יום. כעת, קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קונמינג וקבוצה נוספת מהאקדמיה הסינית לביולוגיה בבייג'ין הצליחו לגדל עוברי קופים במשך 25 יום מחוץ לרחם, אחרי ששתלו ביציות מופרות של הקופים בתנאי מעבדה מותאמים. 

בחלק ניכר מהמחקרים בתחום הביולוגיה נעשה שימוש במודלים מן החי: בעל חיים, רקמה או קבוצות של תאים שבאמצעותם אפשר ללמוד על מנגנונים ביולוגיים ולהסיק מהן על הביולוגיה האנושית. הדרך הטובה ביותר ללמוד על התפתחות העובר האנושי היא לחקור אותו ישירות, אך מסיבות אתיות רוב המחקרים על עוברים של בני אדם מוגבלים לזמן קצר למדי אחרי ההפרייה: עד לאחרונה היה מדובר ב-14 ימים, ולפני שנה ההגבלה הזו התגמשה במקצת. כדי ללמוד על המשך ההתפתחות העוברית נחוצים מודלים חיים אחרים: למשל עוברי קופים שמספקים הצצה חסרת תקדים להתפתחותם של עוברים מסדרת הפרימטים, שאליה שייכים גם בני האדם. עם זאת, כאן אנחנו נתקלים בקשיים טכניים, שכן קשה מאוד לגדול עוברים מחוץ לרחם מעבר לשלב הראשוני. כעת הצליחו חוקרים לגדל עוברים זמן ארוך יותר מאי פעם בעבר. פריצת הדרך של שתי המעבדות פורסמה באותה מהדורה של כתב העת Cell. כל קבוצה חשפה מערכת גידול עוברים משלה ומיקדה את מחקרה בשאלה שונה.

חזיונות של עוברים המתפתחים מחוץ לרחם מככבים כבר שנים רבות במדע הבדיוני. ציור של עובר ברחם מלאכותי | Victor Habbick Visions, Science Photo Library

פנים אל פנים מול עוּבַּר 

ההיריון של קופי מקוק ארוכי זנב (Macaca fascicularis) נמשך כ-166 ימים – קצת יותר ממחצית משך ההיריון האנושי. במהלך ההפרייה, תא זרע חודר אל תא הביצית והשניים מתאחדים לתא אחד הקרוי זיגוטה. תא הזיגוטה מתפצל כמה פעמים והופך לגוש תאים בשכבה אחת צפופה, שכל התאים בו זהים זה לזה. בערך ביום ה-18 להיריון נוצרות בגוש שלוש שכבות והתאים מתחלקים לשלוש רקמות: הרקמה החיצונית (אקטודרם), שממנה תתפתח מערכת העצבים והעור, הרקמה האמצעית (מזודרם), שתהפוך למערכת הדם והשלד, והרקמה הפנימית (אנדודרם), שממנה תיווצר מערכת העיכול. שלב ההתפתחות הזה נקרא גסטרולציה, וההתפתחות התקינה של העובר תלויה במידה רבה בהצלחתו. 

במחקרים קודמים של שתי המעבדות המבנה התלת ממדי של העוברים קרס עשרים יום אחרי ההפריה, או שהעוברים פשוט הפסיקו להתפתח בצורה שתואמת את ההתפתחות העוברית וזוהו כלא תקינים בידי החוקרים. בשיטה החדשה לגידול עוברי קופים מחוץ לרחם, החוקרים יכלו לבחון את תהליך הגסטרולציה ואת תחילת התהליך של יצירת האיברים. בשני המחקרים נעשה שימוש במערכות שסיפקו סביבה חוץ-תאית עשירה בסוכרים וחלבונים, וכך הבטיחו שמספיק מזון יגיע לתאי העובר.

במהלך הגסטרולציה, נוצרות שלוש שכבות והתאים מתחלקים לשלוש רקמות, שבהמשך יתמיינו לכל רקמות הגוף. אילוסטרציה של תהליך הניסוי וההתפתחות העוברית |  מתוך המאמר, Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.04.019

קוף ואחריו בנאדם

החוקרים מאוניברסיטת קונמינג התמקדו בין היתר בתיאור ההתפתחות של מערכת העצבים בשלביה המוקדמים. הם זיהו את שכבת התאים של מערכת העצבים מתעבה, בדומה להתפתחות עוברית רגילה, ותיעדו גם את היווצרות תעלת העצבים, המבנה שמיועד להפוך למערכת העצבים המרכזית, הכוללת את המוח וחוט השידרה. ההתפתחות הייתה דומה מאוד לזו של עובר רגיל, למעט הבדלים מסוימים בצורה. החוקרים מהאקדמיה בבייג'ין התעמקו בתהליכים הביולוגיים הראשוניים שמביאים ליצירה של מערכות ואיברים בגוף. לדוגמה, הם בחנו את המנגנונים הביולוגיים המעורבים בהתפתחות מערכת הדם, תהליכים מוקדמים שמובילים להתפתחות מערכת העצבים והמעיים, תהליך הפיכתם של תאי המזודרם לתאי לב ורקמות חיבור, ועוד. 

מערכת הדם של העובר מתפתחת בשני גלים של ייצור תאי דם: אלה שמיוצרים בגל הפרימיטיבי (Primitive) ואלה שנוצרים בגל השני, המכונה ההיווצרות "המקיפה" (definitive) של תאי הדם. בגל הפרימיטיבי נוצרים בשק החלמון של העובר תאי דם צעירים שאינם מפותחים מספיק לבצע את שלל התפקידים של תאי דם בוגרים, ועיקר תפקידם הוא לספק חמצן לעובר. התאים הללו יוחלפו בידי תאים שהתפתחו בגל השני, המקיף, שנמשך לאורך כל חייו של בעל החיים. בשלב הזה מערכת הדם מסוגלת לייצר את כל תאי הדם, בהם כדוריות הדם האדומות והלבנות ותאים שמייצרים טסיות דם. גם השלב הזה מתחיל בשק החלמון, אך בשלב מאוחר יותר של התפתחות העובר המערכת מתמקמת בכבד העוברי ולבסוף – במח העצם, שם המערכת מייצרת תאי דם חדשים מדי יום.

בשילוב עם מאגרי מידע מניסויים קודמים, החוקרים בחנו את שני השלבים בשק החלמון כדי לאפיין אותם, להשוות אותם לתהליכים שמתרחשים אצל עוברים אנושיים ועוברי עכברים, ולבדוק אם המודל משקף את התפתחות מערכת הדם אצל בני אדם. הם גילו תמונה מורכבת יותר: חלק מהשלבים של התפתחות מערכת הדם אצל עוברי הקוף דמו יותר להתפתחות העכבר, ושלבים אחרים דמו יותר להתפתחות עוברים אנושיים. על סמך הממצאים האלה, חוקרים יידעו בעתיד איזה שלבים בהתפתחות האדם מומלץ לבחון בעוברי קופים ומתי עדיף להשתמש במודלים חלופיים.