Kolmannella raskausviikolla ihmiskehon perusta lasketaan syvällä kohdussa. Tässä vaiheessa alkio on vielä pyöreä solupaakku. Sen sisällä solut alkavat jakautua kerroksiksi, joista kehittyy ennen pitkää selkäranka, ylävartalo ja sydän.
Kyse on alkionkehityksen tärkeimmästä – ja tuntemattomimmasta – hetkestä. Tutkijat ovat kuitenkin luoneet keinotekoisia alkioita. Niiden avulla voidaan ottaa selkoa siitä ratkaisevasta jaksosta, jonka aikana kehon tulevan kehityksen perusta lasketaan.
Hanke edistää lapsettomuushoitojen ja synnynnäisten sairauksien tutkimusta, mutta se tuo myös mukanaan kiperän kysymyksen siitä, milloin elämä oikeastaan alkaa.
Elämän tärkeintä vaihetta ei tunneta
Kun siittiö hedelmöittää munasolun, käynnistyy solunjakautumisprosessi, jonka tuloksena syntyy yhdeksässä kuukaudessa ihmislapsi.
Noin seitsemäntenä raskauspäivänä alkion mikroskooppinen esivaihe kapseloituu naisen kohdunseinämässä limakalvoon. Solupaakku piileskelee siinä noin 28. päivään asti.
Jo 16–17 päivän jälkeen alkaa gastrulan muodostumiseksi kutsuttu kaiken määräävä tapahtumasarja. Sen aikana alkio muuttuu yksinkertaisesti ilmaistuna mikroskooppisesta järjestymättömästä pallosta yksilölliseksi eliöksi.
Eteläafrikkalainen biologi Lewis Wolpert puhui gastrulan muodostumisesta jo vuonna 1983 "elämän tärkeimpänä vaiheena". Sen kuluessa alkio järjestää solunsa uudelleen ja alkaa jakaa niitä kolmeen niin sanottuun alkiokerrokseen, jotka yhdeksän kuukautta myöhemmin ovat hermoja, lihaksia ja elimiä. Gastrulan muodostumisessa tapahtuu myös kehityshäiriöitä, jotka johtavat joko keskenmenoon tai synnynnäisiin sairauksiin.
Alkion kehittymistä kohdunseinämässä ei voida tutkia, ja sen jälkeen, kun 1970-luvulla keksittiin koeputkihedelmöitys, on ollut luvallista kasvattaa alkioita kehon ulkopuolella enintään 14 päivää – joten gastrula ei ole vielä alkanut muodostua. Tästä syystä alkionkehityksen päiviä 14–28 voidaan luonnehtia pimeäksi vaiheeksi.
Jonkin verran tietoa on onnistuttu saamaan harvinaisista kudosnäytteistä, kuten Carnegien kehitysopillisesta kokoelmasta, joka sisältää päivä päivältä etenevän sarjan eri kehitysvaiheessa olevia alkioita ja sikiöitä.
Laboratoriossa on pitänyt tyytyä tutkimaan gastrulan muodostumista apinoilla, hiirillä ja seeprakaloilla tehtävillä kokeilla. Tähän asti.
Tekoalkio valottaa pimeää vaihetta
Vuosia kestäneiden eläinkokeiden jälkeen Cambridgen yliopiston tutkijat ovat luoneet ensimmäistä kertaa keinotekoisia alkioita, jotka jäljittelevät alkionkehityksen keskeisiä osia aina 21. raskauspäivään saakka.
Gastruloidiksi nimitetyt alkiot ovat rakentuneet lapsettomuushoidoissa käyttämättä jääneiden hedelmöityneiden munasolujen kantasoluista. Alkion kantasolut ovat pluripotentteja eli useakykyisiä, mikä tarkoittaa, että ne voivat erilaistua melkein miksi tahansa niistä noin 200 solutyypistä, joita aikuisella on kehossaan.
Solut pannaan pieneen petrimaljaan, jonka sisältämä tarkasti harkittu solujen kehitystä ohjaava ravinto- ja viestiainekoktaili saa kantasolut luulemaan, että ne ovat kiinnittyneet tukevasti kohtuun.
Jäljitelmä matkii hämärää vaihetta
1. päivä laboratoriossa = 1. viikko todellisuudessa
Kantasolut pääsevät kemikaalikylpyyn
Tutkijoiden soluviljelmään kuuluu noin 400 kantasolua, jotka on pantu yksittäin nesteellä täytettyihin kuoppiin. Neste on koktaili, jonka sisältämät aineet muun muassa edistävät kantasolujen jakautumista.
2. päivä laboratoriossa = 2. viikko todellisuudessa
Kantasolut kokkaroituvat
Koktailin viestiaineet käynnistävät tapahtumasarjan, jossa kantasolut kasaantuvat pallomaiseksi rakenteeksi. Se muistuttaa blastokystiksi nimitettyä varhaista alkiovaihetta. Se muodostuu kohdussa 14 päivän kuluttua hedelmöityksestä.
3. päivä laboratoriossa = 3. viikko todellisuudessa
Solukokkare paljastaa tärkeän alkiovaiheen
Kantasolut järjestyvät uudelleen pitkulaiseksi paakuksi, joka muistuttaa tähän asti tutkimatonta gastrulaa eli malja-astetta. Siinä alkio jakautuu kolmeen eri solutyyppiin, joista syntyvät ennen pitkää hermot, lihakset ja elimet.
Tulevaisuus?
Uudet solut puhaltavat eloa aivoihin ja sydämeen
Arvioiden mukaan 5–10 vuoden kuluttua voidaan lisätä soluja, jotka jäljittelevät istukan toimintaa ja saavat aivojen ja sydämen kaltaiset elimet muodostumaan. Jos odotukset täyttyvät, keinotekoiset ihmisalkiot elävät niin kauan, että sydämenlyönnit ovat havaittavissa.
Tutkimusryhmä on tuottanut satoja pieniä gastruloideja. Jo 72 tunnissa kantasolut kasaantuivat paakuksi, joka venyi soikeaksi. Luonnollisessa alkiossa soikio toimii peruslähtökohtana ylä- ja alavartalolle ja kehon etu- ja takapuolelle.
Cambridgen yliopiston tutkijat pystyivät seuraamaan jopa gastruloidien yksittäisten solujen erikoistumista. Alkiokerrokset ekto-, meso- ja endodermi muodostuivat kolmesta solutyypistä sillä lailla kuin luonnollisissa alkioissa. Alkiokerroksista syntyvät hermosto, lihaksisto ja sisäelimet.
Näin kantasolut kehittyvät hiirissä
Rykelmä hiiren kantasoluja viestii keskenään ja muodostaa soikean paakun. Solut loistavat vihreinä, koska niihin on lisätty merkkiaineita, jotka paljastavat, milloin ne kehittyvät endodermin soluiksi. Näistä taas syntyvät ennen pitkää hiiren sisälmykset.
Alkiot ratkaisevat lääketieteen arvoituksia
Tutkijat luonnehtivat pieniä solupaakkuja malleiksi, sillä hennoista sydämen ja hermoston esivaiheista huolimatta niiltä puuttuvat aivojen aihio ja kyky muodostaa istukka. Siksi paakuilla ei ole edellytyksiä kehittyä varsinaiseksi sikiöksi, ja gastruloidit luhistuvatkin itsestään viimeistään neljän päivän kuluttua.
Alkiojäljitelmien ansiosta voidaan kuitenkin tutkia laboratoriossa sitä kriittistä alkionkehityksen jaksoa, josta useiden terveysongelmien, kuten synnynnäisten sydänvikojen, skolioosin, selkäytimen epämuodostuman, autismin, Downin oireyhtymän ja syövän, epäillään juontuvan. Geenitekniikka voi paljastaa, mitkä alkion dna:n osat vaikuttavat kehitykseen gastrulan muodostumisen eri vaiheissa – ja siten päästään paremmin perille siitä, miksi prosessi joskus häiriintyy.
Tekoalkioiden kehitys kolmannella raskausviikolla saattaa tuoda esiin virheitä dna-koodin kopioitumisessa tytärsoluihin. Todennäköisesti samalla tiedot keskenmenojen syistä karttuvat ja opitaan ymmärtämään paremmin lapsettomuutta, mistä on hyötyä kehitettäessä hedelmällisyyshoitoja.
Tekoalkio muistuttaa luonnollista alkiota kolmannella raskausviikolla, mutta aivojen aihio, joka näkyy aidon alkion yläosassa, jää puuttumaan keinotekoisesta alkiosta.
Ennen pitkää tekoalkioilla voidaan myös selvittää tarkasti, kuinka lääkkeet vaikuttavat kasvavaan ihmissikiöön.
Yleensä tarkoitukseen käytetään koe-eläimiä, mutta niiden alkionkehityksen on useaan otteeseen todettu eroavan ihmisen kehityksestä. Esimerkiksi raskauspahoinvoinnin hillitsemiseen käytetty talidomidi ei näyttänyt vaikuttavan haitallisesti hiiriin, mutta se aiheutti tuhansille 1950- ja 1960-luvulla syntyneille lapsille käsien ja jalkojen epämuodostumia.
Tutkimalla kolmannen raskausviikon keskeistä sikiönkehityksen jaksoa voidaan saada lisää tietoa alkoholin ja infektioiden sikiötä vaurioittavista vaikutuksista. Raskauden aikainen alkoholinkäyttö voi lisätä kehityshäiriöiden riskiä ja johtaa esimerkiksi kasvun hidastumiseen ja aivovammaan, ja zikavirustartunnan tiedetään altistavan pienipäisyydelle ja kehitysvammaisuudelle.
Tietoa siitä, miksi ja millä tavalla kehitys häiriintyy, ei ole voitu aikaisemmin onkia hämärästä alkion gastrulavaiheesta.
Tutkijoiden tavoitteena on päästä tulevaisuudessa luomaan tekoalkioita niin sanotuista indusoiduista pluripotenteista kantasoluista, joita saadaan aikaan palauttamalla aikuisen soluja varhaisempaan kehitysvaiheeseen. Näin nollatut solut ovat useakykyisiä, eli ne voivat erilaistua useimmiksi solutyypeiksi. Niinpä gastruloidit voivat kehittyä ilman äidin munasolua ja isän siittiötä ja ne merkitsevät tärkeää merkkipaalua matkalla kohti keinotekoista elämää.
Elämän määritelmää on tarkistettava
Tutkittaessa alkioita kohdun ulkopuolella määräaika umpeutuu 14 päivässä. Pian sen jälkeen solupaakku nimittäin paljastaa, syntyvätkö siitä kaksoset, ja siten se voidaan tieteellisesti määrittää yhdeksi tai kahdeksi yksilöksi.
Gastruloidit saavat ylittää määräajan, sillä keinotekoisina ne eivät ole samojen eettisten rajoitusten alaisia kuin aidot alkiot.
Texasin yliopiston tutkijat ovat jo luoneet keinotekoisia hiiren alkioita, joissa on aikuisen yksilön korvasta otettuihin soluihin perustuva istukka. Arvioiden mukaan 5–10 vuoden kuluttua voidaan lisätä keinotekoiseen ihmisalkioon soluja, jotka muodostavat istukan ja aivot. Silloin gastruloidit muistuttavat vielä enemmän luonnollisia alkioita.
Tutkijat kehottavat siksi päättäjiä asettamaan uuden määräajan laboratoriossa tehtäville alkiotutkimuksille, olivatpa alkiot sitten aitoja tai keinotekoisia.
Kehitys kulkee kohti kaukaista tulevaisuutta, jossa ihmisiä voidaan teoriassa kasvattaa kantasoluista akvaariossa oikealla kemikaaliyhdistelmällä. Sitä ennen tieteen pitää määrittää uudelleen kantansa siihen, milloin elämä alkaa.