Embrio Sintetis dari Sel Punca Berhasil Membentuk Organ Otak dan Jantung

Para peneliti telah menciptakan model embrio dari sel induk tikus yang membentuk otak, jantung dari sel punca. Hasil penelitian ini bisa menjadi dasar bagi pembentukan semua organ tubuh lainnya dan jalan baru untuk menciptakan tahap pertama kehidupan dalam proses kehamilan.

Para peneliti dari University of Cambridge (UC), Inggris, telah menciptakan model embrio dari sel induk tikus untuk membentuk organ seperti otak dan jantung yang bekerja. Cara yang dilakukan para peneliti yang dipimpin Profesor Magdalena Zernicka-Goetz itu bekerja dengan mengembangkan model embrio tanpa telur atau sperma. Sebagai gantinya menggunakan sel induk (stem cell) dan sel induk tubuh (body's master cell).

Zernicka-Goetz memaparkan model tersebut dapat berkembang menjadi hampir semua jenis sel dalam tubuh. Langkah ini dapat menciptakan proses pembentukan sel-sel baru pada organ yang rusak, yang berguna bagi pengobatan.

Para peneliti meniru proses alami di laboratorium dengan memandu tiga jenis sel induk yang ditemukan pada perkembangan mamalia awal ke titik di mana sel-sel tersebut mulai berinteraksi. Dengan menginduksi ekspresi kumpulan gen tertentu dan membangun lingkungan yang unik untuk interaksi mereka, para peneliti dapat membuat sel punca "berbicara" satu sama lain.

Sel punca mengatur dirinya sendiri menjadi struktur yang berkembang melalui tahap perkembangan berturut-turut sampai memiliki jantung yang berdetak dan fondasi otak. Selain itu juga hingga memiliki kantung kuning telur tempat embrio berkembang dan mendapatkan nutrisi pada beberapa pekan pertama.

Tidak seperti embrio sintetis lain, model yang dikembangkan para peneliti di UC mencapai titik di mana seluruh otak, termasuk bagian anterior, mulai berkembang. Ini adalah poin lebih lanjut dalam pengembangan daripada yang telah dicapai dalam model turunan sel punca lainnya.

Hasil penelitian yang telah dilakukan dalam satu dekade penelitian yang semakin mengarah pada struktur seperti embrio yang semakin kompleks. Hal ini dapat membantu para peneliti memahami mengapa beberapa embrio gagal sementara yang lain terus berkembang pada kehamilan yang sehat. Selain itu, hasilnya dapat digunakan untuk memandu perbaikan dan pengembangan organ sintetis manusia untuk transplantasi.

"Model embrio tikus kami tidak hanya mengembangkan otak, tetapi juga jantung yang berdetak, semua komponen yang membentuk tubuh," kata Profesor Pengembangan Mamalia dan Biologi Sel Punca di Departemen Fisiologi, Pengembangan dan Ilmu Saraf UC, Magdalena Zernicka-Goetz.

"Sulit dipercaya bahwa kami telah sejauh ini. Ini telah menjadi impian komunitas kami selama bertahun-tahun, dan fokus utama dari pekerjaan kami selama satu dekade dan akhirnya kami melakukannya," kata Zernicka-Goetz.

Perlu "Dialog"

Menurut Zernicka-Goetz, agar embrio manusia berhasil berkembang, perlu ada "dialog" antara jaringan yang akan menjadi embrio, dan jaringan yang akan menghubungkan embrio dengan ibu. Pada pekan pertama setelah pembuahan, tiga jenis sel punca berkembang: satu akan menjadi jaringan tubuh, dan dua lainnya mendukung perkembangan embrio.

Salah satu jenis sel punca ekstraembrionik ini akan menjadi plasenta, yang menghubungkan janin dengan ibu dan menyediakan oksigen dan nutrisi. Sedangkan yang kedua adalah kantung kuning telur, tempat embrio tumbuh dan tempat ia mendapatkan nutrisi dari awal perkembangannya.

Banyak kehamilan yang gagal pada saat ketiga jenis sel punca mulai mengirim sinyal mekanis dan kimiawi satu sama lain, yang memberi tahu embrio berkembang dengan benar. "Begitu banyak kehamilan yang gagal sekitar waktu ini, sebelum kebanyakan perempuan menyadari bahwa mereka hamil," kata Zernicka-Goetz yang juga Profesor Biologi dan Teknik Biologi di Caltech.

Pada periode tersebut adalah dasar untuk segala hal lain yang mengikuti kehamilan. Jika terjadi kesalahan, maka proses kehamilan akan gagal. Untuk memahami proses tersebut ia telah mempelajari tahap awal kehamilan ini. Tujuannya memahami mengapa beberapa kehamilan gagal dan beberapa berhasil.

"Model embrio sel induk penting karena memberi kita akses ke struktur yang berkembang pada tahap yang biasanya tersembunyi dari kita karena implantasi embrio kecil ke dalam rahim ibu," kata Zernicka-Goetz. "Aksesibilitas ini memungkinkan kita untuk memanipulasi gen untuk memahami peran perkembangan mereka dalam sistem eksperimental model," imbuh dia.

Untuk memandu pengembangan embrio sintetis mereka, para peneliti mengumpulkan sel-sel induk yang dikultur. Sel-sel ini untuk mewakili masing-masing dari tiga jenis jaringan dalam proporsi dan lingkungan yang tepat untuk mendorong pertumbuhan dan komunikasi mereka satu sama lain, yang pada akhirnya merakit sendiri menjadi embrio.

Para peneliti menemukan bahwa sel-sel ekstraembrionik memberi sinyal ke sel-sel embrionik baik dengan cara tak hanya mengeluarkan sinyal-sinyal kimia, namun juga secara mekanis. Selain sel-sel itu juga melakukan sentuhan, yang memandu perkembangan embrio.

"Periode kehidupan manusia ini sangat misterius. Bisa menyaksikan bagaimana hal itu terjadi merupakan hal yang istimewa," kata Zernicka-Goetz. hay/I-1

Bisa untuk Memperbaiki Kerusakan Organ

Kemajuan besar oleh para peneliti dari University of Cambridge (UC) adalah kemampuan untuk menghasilkan seluruh otak, khususnya bagian anterior, yang telah menjadi tujuan utama dalam pengembangan embrio sintetik. Pada bagian otak ini, membutuhkan sinyal dari salah satu jaringan ekstraembrionik untuk dapat berkembang.

Dalam studi yang dilakukan antara 2018-2021, tim berpikir menggunakan sel komponen yang sama untuk berkembang menjadi embrio pada tahap yang sedikit lebih awal. Dengan mendorong perkembangan hanya satu hari lebih jauh, mereka dapat dengan pasti mengatakan bahwa model mereka adalah yang pertama memberi sinyal perkembangan anterior dan bahkan keseluruhan otak.

"Ini membuka kemungkinan baru untuk mempelajari mekanisme perkembangan saraf dalam model eksperimental," kata Zernicka-Goetz seperti dikutip Science Daily.

"Faktanya, kami mendemonstrasikan bukti prinsip ini di makalah dengan merobohkan gen yang sudah diketahui penting untuk pembentukan tabung saraf, prekursor sistem saraf, dan untuk perkembangan otak dan mata," imbuh dia.

Dengan tidak adanya gen tersebut, embrio sintetis menunjukkan secara persis cacat yang diketahui dalam perkembangan otak seperti pada hewan yang membawa mutasi ini. Ini berarti para peneliti dapat mulai menerapkan pendekatan semacam ini pada banyak gen dengan fungsi yang tidak diketahui dalam perkembangan otak.

Saat ini penelitian dilakukan baru dilakukan model tikus. Selanjutnya pada peneliti akan mengembangkan model manusia serupa dengan potensi untuk diarahkan pada generasi jenis organ tertentu. Tujuannya adalah untuk memahami mekanisme di balik proses penting yang tidak mungkin dipelajari dalam embrio nyata.

Saat ini, hukum Inggris mengizinkan embrio manusia untuk dipelajari di laboratorium hanya sampai hari ke-14 perkembangannya. Jika metode yang dikembangkan oleh tim Zernicka-Goetz terbukti berhasil dengan sel induk manusia di masa depan, metode tersebut juga dapat digunakan untuk memandu pengembangan organ sintetis bagi pasien yang menunggu transplantasi. "Ada begitu banyak orang di seluruh dunia yang menunggu bertahun-tahun untuk transplantasi organ," kata Zernicka-Goetz.

"Apa yang membuat pekerjaan kami begitu menarik adalah bahwa pengetahuan yang keluar darinya dapat digunakan untuk menumbuhkan organ sintetis manusia yang benar untuk menyelamatkan nyawa yang saat ini hilang. Seharusnya juga memungkinkan untuk mempengaruhi dan menyembuhkan organ orang dewasa dengan menggunakan pengetahuan yang kami miliki dan bagaimana mereka dibuat," imbuh dia.

Bagi Zernicka-Goetz, penelitian itu merupakan langkah maju yang luar biasa dan membutuhkan 10 tahun kerja keras dari banyak anggota tim. Zernicka-Goetz bahkan tidak pernah berpikir hasil penelitiannya akan berhasil. hay/I-1