Når forskere studerer de tidligste celler i fosterudviklingen, gør de det ofte ved at bruge humane embryonale eller pluripotente stamceller. Men når de forsøger at udvikle disse celler til dele af embryonet i en petriskål, kan de aldrig være sikre på, at de er blevet til det, de tror, de er blevet til. En ny computermodel kan hjælpe forskerne med at afgøre dette.
Eksperimenter med egentlige menneskelige embryonale celler er ikke særligt almindelige - det er simpelthen svært at få adgang til disse celler og embryoner, hvis man vil bruge dem til andet end de allervigtigste eksperimenter. Derfor er det også vigtigt at maksimere udbyttet af sådanne eksperimenter.
I den forbindelse står forskere nogle gange over for udfordringer med at være sikre på, hvad cellerne i deres petriskål har udviklet sig til.
Er specifikke celler en del af blommesækken? Tilhører de de bærende strukturer omkring det udviklende foster eller noget helt tredje?
En ny computermodel kan nu give svarene.
Modellen giver mulighed for mere præcis forskning i individuelle celler i de tidligste stadier af fosterudviklingen, og det kan få betydning for alt fra opdagelse af lægemidler til forbedringer i kunstig befrugtning.
»Nogle gange er vi nødt til at stille forskningsspørgsmål, som kun kan besvares gennem eksperimenter med menneskelige embryonale celler. Men det er afgørende at være sikker på, hvad vi observerer, og om cellerne i vores petriskål faktisk er dem, vi tror, de er. Det kan vores model hjælpe med at besvare,« forklarer en af forskerne bag undersøgelsen, professor Joshua M. Brickman fra reNEW Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine ved Københavns Universitet.
Forskningen, der er lavet i samarbejde med kollegaerne Martin Proks og Nazmus Salehin, er offentliggjort i Nature Methods.
Fosterdannelsen er unik
Det, der gør studier af de tidligste stadier af fosterudviklingen unikke, er, at embryonale stamceller kan udvikle sig til alle typer af celler i og omkring fosteret.
Hvis man for eksempel vil studere de støttende strukturer, der omgiver fosteret, skal stamcellerne styres til at udvikle sig i retning af blommesækken og moderkagen.
Hvis man alternativt ønsker at studere forskellige aspekter af embryonet i sig selv, skal cellerne udvikle sig i den retning.
En udfordring er, at når celletyperne i embryonet udvikler sig hurtigt i forskellige retninger og foretager relativt små ændringer, der kan føre til store forskelle senere i embryoet eller fosteret, kan disse celler se meget ens ud.
Det gør det udfordrende at bekræfte deres identitet baseret på udseendet alene. Det er det problem, som forskerne har løst med deres computermodel.
Model fyldt med alt tilgængelig data
Til forskningen indsamlede teamet af forskere al tilgængelig information om forskellige embryonale celler fra videnskabelig litteratur med fokus på data opnået gennem enkeltcelle-RNA-sekventering.
Enkeltcelle-RNA-sekventering hjælper forskere med at undersøge, hvordan forskellige celletyper udtrykker deres funktioner gennem RNA-profiler.
RNA-ekspressionen varierer fra celle til celle, selvom deres DNA forbliver det samme, og det gør det muligt for forskere at identificere celletyper baseret på deres RNA-signaturer.
Ved at indarbejde alle tilgængelige oplysninger i deres model kan forskerne nu bestemme celletyper i nye prøver ved at analysere deres RNA-ekspression.
Det betyder, at forskere kan udføre enkeltcelle-RNA-sekventering på deres prøver, lægge dataene ind i modellen og identificere de nærmeste matchende celletyper, hvilket i bund og grund gør brug af alle de tilgængelige data fra de dyrebare menneskelige embryoner, der doneres til forskning.
»I dag er enkeltcelle-RNA-sekventering meget overkommeligt og giver nok information til at identificere, om cellerne i et eksperiment tilhører den ene eller den anden type. Det giver forskere mulighed for hurtigt at bekræfte, om det er værd at fortsætte med eksperimentet, eller om de har noget andet i petriskålen,« forklarer Nazmus Salehin.
Kan undersøge lægemiddeleffekt på de tidligste fostre
Den model, som forskerne har udviklet, kan mere end bare at identificere kendte celletyper.
Den angiver også, hvor tæt en celletype matcher en kendt.
Forskere kan for eksempel behandle embryonale stamceller med lægemidler for at undersøge deres effekt på celleudviklingen.
Modellen kan ikke kun give et procentvist match, men også forklare, hvilke dele af den genetiske profil der førte til et bestemt resultat.
»Det giver os mulighed for blandt andet at se, om visse lægemidler påvirker stamcellernes udtryk og udvikling, og om lægemidlerne kan være skadelige for fosteret. På samme måde kan vi teste stoffer til forbedring af kunstig befrugtning og se, hvordan de påvirker stamcellerne,« siger Joshua M. Brickman.
Kan bruges helt konkret i forskningen
Forskerne bemærker, at modellen kan hjælpe kolleger, der arbejder med specifikke embryonale celler.
Nogle forskere studerer for eksempel celler, der danner moderkagen, og hvordan fertilitetsbehandlinger kan forbedres gennem moderkagen.
Disse undersøgelser begynder typisk med embryonale stamceller i en petriskål, hvor man sporer deres udvikling til moderkageceller og undersøger, hvordan forskellige lægemidler understøtter denne proces.
»Vores kolleger kan bruge modellen til at kontrollere, om de rent faktisk udvikler forstadier til moderkageceller uden at ændre det genetiske udtryk i andre celler undervejs,« forklarer Nazmus Salehin.
Lignende model findes for modne celler
Martin Proks påpeger, at modellen udfylder et hul i de værktøjer, der er til rådighed for forskningen.
Der findes allerede store databaser med celler fra voksne mennesker, og de indeholder data om alle celletyper i et bestemt organ.
Databaserne kan bruges til at bekræfte cellernes identitet i eksperimenter, men indtil nu har sådanne værktøjer ikke været tilgængelige for embryonale celler.
»Forskning i embryonale celler står over for to store udfordringer, og det er begrænset adgang til humane embryonale celler og vanskeligheder med at skelne mellem nært beslægtede celletyper i den tidlige fosterudvikling. Denne model løser begge problemer,« siger Martin Proks.
Model kan besvare en lang række spørgsmål
Joshua M. Brickman forestiller sig en bred anvendelse af modellen inden for forskning i humane embryonale celler.
Nuværende cellemodeller til lægemiddelafprøvning hævder ofte at repræsentere fosterceller, men efterligner måske ikke deres egenskaber nøjagtigt.
Modellen kan verificere disse påstande og give indsigt i medfødte genetiske lidelser og deres indvirkning på den tidlige fosterudvikling.
Forskerne har også udviklet en lignende model for museembryoner, da mus ofte bruges i prækliniske studier. Sammenligning af fosterudvikling på tværs af arter kan også besvare spændende evolutionære spørgsmål.
»For eksempel er mennesker og andre pattedyr genetisk meget ens, men ser forskellige ud på grund af den tidlige fosterudvikling. En sammenligning af disse processer på tværs af arter kan kaste lys over, hvornår forskelle mellem mennesker og andre primater begynder at dukke op,« konkluderer Joshua M. Brickman.
