Review: gastruloïden als modelsysteem voor onderzoek naar embryonale ontwikkeling van zoogdieren

Gastruloïden bootsen de ‘gastrulatie’ na; een proces dat vroeg in de embryonale ontwikkeling plaatsvindt en dat ervoor zorgt dat alle embryonale weefsels en organen van het zich ontwikkelende embryo op de juiste plek terechtkomen. Omdat fouten tijdens de gastrulatie tot ernstige geboorteafwijkingen kunnen leiden, zoals afwijkingen waarbij het hart aan de verkeerde kant van het lichaam zit, is het belangrijk om onze kennis over de gastrulatie te vergroten. Echter, ethische, technische en wettelijke beperkingen maken het lastig om onderzoek te doen naar de (menselijke) embryonale ontwikkeling, waardoor onze kennis over de gastrulatie momenteel beperkt is.

Gastruloïden: gastrulatie in een petrischaal

Met behulp van gastruloïden kan de gastrulatie in een petrischaal worden nagebootst. Daarmee maakt het gastruloïde modelsysteem het makkelijker om onderzoek te doen naar de processen die plaatsvinden tijdens de vroege embryonale ontwikkeling. Gastruloïden kunnen worden ontwikkeld uit stamcellen van verschillende diersoorten, waaronder muizen en vissen, maar ook uit embryonale stamcellen van mensen. In de afgelopen jaren is dit relatief nieuwe modelsysteem wereldwijd ingezet en verbeterd. Susanne van den Brink en Alexander van Oudenaarden beschrijven in hun nieuwe review, gepubliceerd in Trends in Cell Biology, hoe het er voorstaat met de gastruloïde en focussen daarbij specifiek op de modellen van muis en mens.

Verbeterd model

De muizen-versie van het gastruloïde model is in 2014 ontdekt en in de afgelopen jaren sterk verbeterd. Zo is het onderzoekers recent gelukt om muizengastruloïden te maken met een kloppende hart-achtige structuur. Ook zijn ze erin geslaagd om muizengastruloïden te maken die de voorlopers van de hersenen en van de geslachtscellen genereren. Het is echter nog niet gelukt om muizengastruloïden te maken die (de voorlopers van) ledenmaten bevatten. Daarnaast vormen gastruloïden geen extra-embryonale weefsels, waardoor ze niet in een baarmoeder kunnen innestelen en niet levensvatbaar zijn.

Gastruloïden gemaakt uit menselijke embryonale stamcellen zijn veel recenter ontdekt, en zijn daardoor nog niet zo ver ontwikkeld als de muizengastruloïden. De menselijke gastruloïden maken bijvoorbeeld geen kloppend hart en bevatten ook geen hersen-achtige weefsels. Echter, gezien de snelle ontwikkelingen in het onderzoeksveld verwachten Van den Brink en Van Oudenaarden dat het niet lang zal duren voordat ook het menselijke gastruloïdemodel verder wordt verbeterd.

Toepassingen

De toepassingen van muizen- en menselijke gastruloïden zijn eindeloos. Onderzoekers kunnen het model bijvoorbeeld gebruiken om onze kennis over de vroege embryonale ontwikkeling te vergroten. Zo heeft het model de afgelopen jaren nieuwe inzichten opgeleverd over de processen die de vorm van het embryo bepalen en over de processen die bepalen hoe en waar de hersenen gevormd worden. Omdat gastruloïden relatief makkelijk in grote aantallen gekweekt kunnen worden, is het model ook geschikt voor toxicologische screenings. Met andere woorden: de gastruloïden zijn geschikt om op grote schaal te onderzoeken welke stoffen giftig zijn voor zich ontwikkelende embryo’s. Daarnaast kan het modelsysteem ook gebruikt worden om onderzoek te doen naar de veiligheid en effectiviteit van nieuwe medicijnen, of om de oorzaken van geboorteafwijkingen te achterhalen.

Op de langere termijn zal het misschien zelfs mogelijk zijn om met behulp van gastruloïden weefsels te maken in het lab die gebruikt kunnen worden voor transplantatiedoeleinden. Echter blijft de validatie van de menselijke versie van het model nog wel een uitdaging: er is nog geen duidelijk antwoord op de vraag hoe onderzoekers kunnen bewijzen dat resultaten verkregen met menselijke gastruloïden overeenkomen met wat er in menselijke embryo’s gebeurt.

Complexe ethische vraagstukken

De ontwikkeling en verbetering van de menselijke gastruloïde brengt daarnaast ook ethische vraagstukken met zich mee. Wanneer worden de menselijke gastruloïden bijvoorbeeld zo geavanceerd dat hun morele status gelijk komt te staan aan die van echte embryo’s? En moeten donoren informed consent geven voordat hun stamcellen gebruikt kunnen worden om gastruloïden te kweken? Onderzoekers in het veld staan in nauw contact met ethici om deze nieuwe ethische, maatschappelijke en wettelijke vraagstukken verder te onderzoeken. De uitkomsten van deze discussies, die recent tot nieuwe wereldwijde richtlijnen hebben geleid, zullen mede bepalen hoe dit nieuwe vakgebied zich in de komende jaren zal gaan ontwikkelen.

Publicatie

van den Brink, S. C., & van Oudenaarden, A. (2021). 3D gastruloids: a novel frontier in stem cell-based in vitro modeling of mammalian gastrulation. Trends in Cell Biology.