I graviditetens tredje vecka läggs grunden till människokroppen långt inne i livmodern. Vid den tidpunkten är fostret fortfarande bara en rund cellklump. I klumpens inre börjar cellerna dela upp sig i lager, som senare utvecklas till ryggkotor, bål och hjärta.
Det är det viktigaste ögonblicket i fosterutvecklingen – och det mest okända. Nu har emellertid forskare skapat artificiella foster som gör det möjligt att studera den avgörande period under vilken kroppens grundstenar läggs.
Metoden gör det möjligt för forskarna att i laboratoriemiljö efterlikna fostrets utveckling under graviditetens första tjugoen dagar.MMetoden gör det möjligt för forskarna att efterlikna fosterutvecklingen under graviditetens första tjugoen dagar i laboratoriemiljö.
Denna bedrift skapar förutsättningar för ett botemedel mot barnlöshet och medfödda sjukdomar, men väcker samtidigt svåra frågor om när livet egentligen börjar.
Livets viktigaste fas är okänd
I samma stund som en spermie befruktar ett ägg inleds celldelningsprocessen, som under loppet av nio månader skapar ett människobarn.
Cirka sju dagar in i graviditeten kapslar det mikroskopiska förstadiet till ett foster in sig i slemhinnan på kvinnans livmodervägg, där cellklumpen ligger dold tills omkring graviditetens tjugoåttonde dag.
Redan efter sexton–sjutton dagar inleds en helt avgörande process, den så kallade gastrulationen. Då övergår fostret enkelt uttryckt från att vara en mikroskopisk, oorganiserad klump till en individuell organism.
Redan år 1983 kallade den sydafrikanske biologen Lewis Wolpert gastrulationen ”den viktigaste tiden i livet”. Då sorterar fostret om sina celler och börjar fördela dem i tre så kallade groddblad, som nio månader senare har blivit nerver, muskler och organ. Under gastrulationen uppstår även en rad fosterdefekter som leder till antingen spontan abort eller medfödda sjukdomar.
Fostrets utveckling i livmoderväggen är omöjlig att studera. Sedan uppfinningen av provrörsbefruktning på 1970-talet har det nämligen bara varit lagligt att hålla foster vid liv utanför kroppen i upp till fjorton dagar, det vill säga innan gastrulationen börjar. Därför beskrivs perioden från dag fjorton till dag tjugoåtta som den mänskliga utvecklingens svarta låda.
Läkarnas få kunskaper om denna process kommer från samlingar av sällsynta vävnadsprover, exempelvis Carnegie Collection of Embryology, som innehåller foster från varje dag av den mänskliga fosterutvecklingen.
I laboratoriet har forskarna fått nöja sig med att studera gastrulationen i försök med apor, möss och zebrafiskar – tills nu.
Artificiellt foster öppnar svarta lådan
Efter flera år av djurförsök har biologer vid University of Cambridge i England för första gången tagit fram artificiella foster som efterliknar centrala delar av människans första utvecklingssteg ända fram till graviditetsdag tjugoett.
Dessa foster, så kallade gastruloider, är uppbyggda av stamceller från befruktade ägg som blivit över vid fertilitetsbehandlingar. Fosterstamcellerna är pluripotenta, vilket innebär att de kan utvecklas till i princip samtliga cirka tvåhundra celltyper i den vuxna människokroppen.
Cellerna placeras i små petriskålar fyllda med en väl avvägd blandning av närings- och tillväxtämnen samt signalsubstanser, som lurar stamcellerna att tro att de utgör ett foster i livmodern.
Fosterkopia efterliknar dold fas
Första dagen i laboratoriet = första veckan i verkligheten
Koloni av stamceller placeras i kemikaliebad
Forskarna odlar en cellkoloni av cirka fyrahundra fosterstamceller, som var och en stoppas ner i en vätskefylld fördjupning. Vätskan innehåller en kombination av ämnen som bland annat får stamcellerna att dela sig snabbare.
Andra dagen i laboratoriet = andra veckan i verkligheten
Stamceller klumpar ihop sig
Signalsubstanser i cocktailen inleder en process där stamcellerna samlas i en klotformig cellstruktur som liknar ett tidigt fosterstadium, en så kallad blastocyst. Detta stadium uppträder i livmodern fjorton dagar efter befruktningen.
Tredje dagen i laboratoriet = tredje veckan i verkligheten
Cellklump avslöjar viktigt fosterstadium
Stamcellerna omorganiserar sig till en avlång klump som påminner om det hittills outforskade gastrulationsstadiet. Fostret delas nu upp i tre olika celltyper som med tiden blir nerver, muskler och organ.
Framtiden?
Nya celler ger liv åt hjärna och hjärta
Om fem–tio år räknar forskarna med att kunna lägga till celler som efterliknar moderkakans funktion och får organ som hjärna och hjärta att växa. Om det lyckas kommer de artificiella människofostren att leva tillräckligt länge för att man ska kunna registrera hjärtslag.
Forskargruppen har framställt hundratals små gastruloider. Under loppet av endast tre dygn samlades stamcellerna till en klump som sträckte ut sig till en oval form, som i ett naturligt foster utgör grundritningen till kroppens över- och underkropp samt framsida och baksida.
Cambridgeforskarna kunde till och med se att gastruloidernas enskilda celler specialiserade sig, och precis som hos naturliga foster delades groddbladen i tre celltyper – ektoderma, mesoderma och endoderma celler – som med tiden blir till nervsystem, muskler respektive inre organ.
Se utvecklingen ske i stamceller hos möss
Foster ska lösa medicinska gåtor
Forskarna betraktar de små cellklumparna som modeller, för trots att de innehåller både de späda förstadierna till hjärta och nervsystem saknar de cellanlaget till en hjärna och förmågan att bilda en moderkaka. Därför kommer de aldrig att kunna utvecklas till foster, och efter maximalt fyra dagar kollapsar gastruloiderna.
Med hjälp av fosterkopiorna kan biologer i laboratoriemiljö följa den kritiska fas i fosterutvecklingen som misstänks vara ursprunget till ett lång rad sjukdomar, bland annat medfött hjärtfel, skolios och ryggmärgsbråck, men även autism, Downs syndrom och cancer. Genteknik kan visa vilka delar av fostrets dna som påverkar utvecklingen i vart och ett av gastrulationens steg och på så vis avslöja för forskarna varför det uppstår fel i processen.
Utvecklingen av de artificiella fostren i graviditetens tredje vecka kan eventuellt också avslöja fel i översättningen från dna-koden till nya cellkopior. Det kan öka forskarnas kunskaper om vad det är som orsakar spontana aborter och på så vis bidra till utveckling av ett botemedel mot barnlöshet.
Det kunstige foster ligner et naturligt foster i tredje uge af graviditeten, men konturerne til en hjerne, som optræder øverst i det normale foster, kan forskerne endnu ikke gro kunstigt.
På sikt kommer de artificiella fostren också att kunna användas för att testa exakt hur läkemedel påverkar mänskliga foster.
Normalt används försöksdjur till det, men djurs fosterutveckling har vid flera tillfällen visat sig vara annorlunda än människors. Det lugnande medlet talidomid orsakade till exempel inga skador hos möss, men ledde till svåra missbildningar av armar och ben hos tusentals barn som föddes på 1950- och 1960-talet.
Inblickar i fostrets viktiga utvecklingssteg i graviditetens tredje vecka kan också visa på vilket sätt alkohol och infektioner skadar foster. Alkoholintag under graviditeten kan leda till medfödda skador hos barn, bland annat tillväxtproblem och hjärnskador, medan en infektion med zikavirus kan medföra mikrocefali och underutvecklad hjärna.
Information om hur och varför dessa missbildningar uppstår har hittills legat dolt i fostrets gastrulationsfas.
I framtiden hoppas forskarna kunna bilda artificiella foster med så kallade inducerade pluripotenta stamceller, som bildas genom att celler från en fullvuxen människa tvingas tillbaka till ett tidigare cellstadium, från vilket de kan utvecklas till vilka celler som helst. Då kan gastruloiderna utvecklas helt utan ägg och spermier från en mamma och pappa, vilket vore en ny milstolpe på vägen mot artificiellt liv.
Definitionen av liv måste omprövas
Tidsgränsen för forskning på foster utanför livmodern är fjorton dagar. Strax därefter avslöjar nämligen cellklumpen om den kommer att utvecklas till tvillingar eller ej och kan därmed vetenskapligt definieras som antingen en eller två individer.
Gastruloiderna tillåts överskrida denna tidsgräns, eftersom de är artificiellt utvecklade och därför inte lyder under samma etiska regler som naturligt utvecklade foster.
I laboratorieförsök har forskare vid University of Texas i USA redan skapat artificiella musfoster med moderkakor från celler tagna från en fullvuxen individs öra. Om fem till tio år tror forskarna att de kan lägga till de celler som bildar moderkakan och hjärnan hos artificiella människofoster. Då kommer gastruloiderna i ännu högre grad att efterlikna naturliga foster.
Forskare uppmanar nu därför politiker att sätta en ny tidsgräns för foster som studeras i laboratoriemiljö, oavsett om de är artificiella eller ej.
Under tiden rör sig utvecklingen mot en avlägsen framtid där människor i teorin – med rätt stamceller och kemikalier – kan odlas i ett akvarium. Innan dess måste vetenskapen förhålla sig till när liv egentligen ska räknas som liv.