Erstmals haben Forscher im Labor sogenannte Blastoide erzeugt – Zellstrukturen, die einem Frühstadium in der Embryonalentwicklung ähneln. Zwei Forschungsteams wählten dabei unabhängig voneinander verschiedene Ansätze: Während eine Gruppe menschliche Hautzellen umprogrammierte, nutzte die andere embryonale Stammzellen. Das Ergebnis in beiden Fällen: Gebilde, deren Aufbau und Funktion menschlichen Blastozysten ähneln, wie sie wenige Tage nach Befruchtung der Eizelle entstehen. Anders als aus Blastozysten können aus den künstlich erzeugten Blastoiden jedoch keine Embryonen heranwachsen. Stattdessen können sie als Modellsysteme für die medizinische Forschung genutzt werden.
Am Beginn einer Schwangerschaft steht die Verschmelzung von Spermium und Eizelle. Die befruchtete Eizelle beginnt sich daraufhin zu teilen und bildet nach wenigen Tagen die sogenannte Blastozyste. Diese besteht aus verschiedenen embryonalen Zellen, aus denen sich nach Einnistung in die Gebärmutterschleimhaut der Embryo selbst sowie die Plazenta und die Fruchthöhle entwickeln. Forschungen zu dieser frühen Phase der menschlichen Entwicklung waren bisher nur an Blastozysten möglich, die bei einer künstlichen Befruchtung erzeugt und zu Forschungszwecken gespendet wurden. Da sich jedoch aus den Blastozysten theoretisch ein lebensfähiger Embryo entwickeln könnte, ist ihre Untersuchung ethisch problematisch und streng reglementiert.
Blastozysten-ähnliche Strukturen aus Hautzellen
Zwei Forschungsteams haben nun unabhängig voneinander eine Alternative entwickelt: Ein Team um Xiaodong Liu von der Monash University in Australien programmierte menschliche Hautzellen so um, dass sie in ein Stammzellstadium zurückversetzt wurden. In einem speziellen Nährmedium differenzierten sie sich dann zu embryonalen Zellen und bildeten eine dreidimensionale Struktur, die einer Blastozyste sehr nahekommt. Gemäß Liu und Kollegen weisen diese sogenannten iBlastoide (kurz für „induzierte Blastoide“) alle typischen Bestandteile auf, die auch Blastozysten haben: die Zelltypen, aus denen bei einer Blastozyste der Embryo entstehen würde, jene für die Plazenta, und die, aus denen sich das Blastozöl, ein mit Flüssigkeit gefüllter Hohlraum, entwickelt.
„Allerdings sind iBlastoide nicht völlig identisch mit einer Blastozyste“, erklärt Lius Kollege Jose Polo. So fehle ihnen beispielsweise die Eihülle, die bei einer normalen Befruchtung von der Eizelle stammt und die frühe Blastozyste umgibt. Überdies fanden sich in den Blastoiden zusätzliche, unbekannte Zelltypen, die in Blastozysten nicht vorkommen. Und die verschiedenen Zelltypen, aus denen theoretisch Embryo und Placenta entstehen könnten, schienen sich asynchron zu entwickeln. Menschliches Leben könnte demnach aus den Blastozysten nicht heranwachsen.
Keine Entwicklung zum Embryo möglich
Zeitgleich mit Liu und Kollegen haben Forscher um Leqian Yu von der University of Texas ähnliche Ergebnisse publiziert. Statt auf Hautzellen griff Yus Gruppe auf embryonale Stammzellen zurück, aus denen sie Strukturen züchtete, die sie als „humane Blastoide“ bezeichnet. „Diese Strukturen ähneln menschlichen Blastozysten in Bezug auf Aufbau, Größe, Zellzahl und Zusammensetzung“, berichten die Forscher. „Auch genetisch sind die Blastoide mit Blastozysten vergleichbar.“ Doch obwohl die künstlich erzeugten Gebilde viele Eigenschaften mit Blastozysten vor einer Implantation in die Gebärmutter teilen, könnte auch aus ihnen kein Embryo entstehen.
Gerade das macht sie für die Forschung interessant. „Humane Blastoide stellen eine leicht zugängliche, skalierbare und vielseitige Alternative zu Blastozysten dar, um die frühe menschliche Entwicklung zu untersuchen, den frühen Schwangerschaftsverlust zu verstehen und Einblicke in frühe Entwicklungsdefekte zu gewinnen“, schreiben Yu und Kollegen. Auch Polo ist überzeugt: „iBlastoide werden es Wissenschaftlern ermöglichen, die sehr frühen Schritte der menschlichen Entwicklung und einige der Ursachen von Unfruchtbarkeit, angeborenen Krankheiten und die Auswirkungen von Toxinen und Viren auf frühe Embryonen zu untersuchen – ohne die Verwendung menschlicher Blastozysten.“ Das könne auch die Entwicklung neuer Therapien vorantreiben.
Ethische Fragen
Nach aktuellem Recht gelten Blastoide nicht als menschliche Embryonen, sodass die Forschung an ihnen weniger stark reglementiert ist. Während Blastozysten maximal 14 Tage kultiviert werden dürfen, wären an Blastoiden auch längere Forschungen möglich. Trotzdem stoppten beide Forschungsteams das Wachstum der Blastoide nach wenigen Tagen, um die für Embryonen geltende 14-Tage-Regel einzuhalten. „Offensichtlich wünschten sich die Autoren die öffentliche Zustimmung zu ihrer Arbeit, bevor sie diese Grenze überschritten“, meint Martin Johnson, emeritierter Professor für Reproduktionswissenschaften an der University of Cambridge. „Es gibt also Arbeit für die Wissenschaftler zu tun, um sowohl die Grenzen als auch die potenziellen Vorteile der Blastoid-Technologie zu erklären.“
Bei den bisherigen Blastoiden ist eine Entwicklung zum Embryo aufgrund zahlreicher Limitationen ausgeschlossen. Je mehr sie optimiert werden, desto ähnlicher werden sie jedoch menschlichen Blastozysten. „Das wird unweigerlich zu bioethischen Fragen führen“, schreiben Yi Zheng und Jianping Fu von der University of Michigan in einem Kommentar zu den Studien, der gemeinsam mit den diesen in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. „Für viele Menschen wird die Erforschung von menschlichen Blastoiden ethisch weniger herausfordernd sein als die Untersuchung von natürlichen menschlichen Blastozysten. Andere jedoch könnten die Forschung an menschlichen Blastoiden als einen Weg zum Engineering menschlicher Embryonen sehen.“ Wichtig sei daher eine öffentliche Diskussion über die wissenschaftliche Bedeutung dieser Forschung, aber auch über die damit verbundenen gesellschaftlichen und ethischen Fragen.
Quellen: Xiaodong Liu (Monash University, Clayton, Australien) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03372-y, Leqian Yu (University of Texas, Dallas, USA) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03356-y
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