I den tredje uge af graviditeten bliver fundamentet til menneskekroppen støbt dybt inde i livmoderen. På det tidspunkt er fosteret stadig en rund celleklump. I klumpens indre begynder cellerne at opdele sig i lag, der senere udvikler sig til ryghvirvler, torso og hjerte.
Det er det vigtigste øjeblik i fostrets udvikling – og det mest ukendte. Nu har forskere skabt kunstige fostre, der gør det muligt at studere den afgørende periode, hvor kroppens grundsten lægges.
Metoden gør forskerne i laboratoriet i stand til at imitere fosterets udvikling de første 21 dage.
Bedriften skaber grobund for en kur mod barnløshed og medfødte sygdomme, men rejser samtidig svære spørgsmål om, hvornår livet egentlig begynder.
Livets vigtigste fase er ukendt
I det øjeblik en sædcelle befrugter et æg, begynder celledelingsprocessen, der henover ni måneder skaber et menneskebarn.
Omkring syv dage inde i graviditeten indkapsler det mikroskopiske forstadie til et foster sig i slimhinden på kvindens livmodervæg, hvor celleklumpen gemmer sig indtil omkring den 28. dag.
Allerede efter 16-17 dage begynder en altafgørende proces kaldet gastrulering,. Her går fostret groft sagt fra at være en mikroskopisk, uorganiseret kugle til en individuel organisme.
Gastrulering blev allerede i 1983 omtalt som "den vigtigste tid i dit liv" af den sydafrikanske biolog Lewis Wolpert. Her omrokerer fosteret sine celler og begynder at fordele dem i tre såkaldte kimblade, der ni måneder senere udgør nerver, muskler og organer. Under gastruleringen opstår også en række fosterdefekter, der enten fører til spontane aborter eller medfødte sygdomme.
Fosterets udvikling inde i livmodervæggen er umulig at undersøge, og siden opfindelsen af reagensglasbehandling i 1970’erne har det kun været lovligt at holde fostre i live uden for kroppen i op til 14 dage – altså før gastruleringen begynder. Derfor bliver perioden fra dag 14-28 beskrevet som den menneskelige udviklings sorte boks.
Lægernes sparsomme viden om processen stammer fra samlinger af sjældne vævsprøver som fx Carnegie Collection of Embryology, der rummer fostre fra hver dag i den menneskelige fosterudvikling.
I laboratoriet har forskerne været nødt til at undersøge gastrulering gennem forsøg med aber, mus og zebrafisk. Indtil nu.
Kunstigt foster åbner sort boks
Efter flere års dyreforsøg har biologer på University of Cambridge for første gang udviklet kunstige fostre, der imiterer centrale elementer af menneskets første udviklingstrin helt frem til dag 21 i graviditeten.
Fostrene kaldes gastruloider og er opbygget af stamceller fra befrugtede æg, der er i overskud ved fertilitetsbehandling. Fosterstamcellerne er pluripotente, hvilket betyder, at de kan udvikle sig til stort set alle de ca. 200 forskellige celletyper i den voksne menneskekrop.
Cellerne lægges i små petriskåle fyldt med en nøje afstemte mikstur af nærings-, vækst- og signalstoffer, som snyder stamcellerne til at tro, at de udgør et foster trygt fæstnet i livmoderen.
Fosterkopi efteraber skjult fase
1. dag i laboratoriet = 1. uge i virkeligheden
Koloni af stamceller lægges i kemikaliebad
Forskere opdyrker en cellekoloni af ca. 400 fosterstamceller, der enkeltvis bliver puttet ned i en væskefyldt fordybning. Væsken indeholder en cocktail af stoffer, der bl.a. får stamcellerne til at dele sig hurtigere.
2. dag i laboratoriet = 2. uge i virkeligheden
Stamceller klumper sig sammen
Signalstoffer i cocktailen starter en proces, hvor stamcellerne samles i en kugleformet cellestruktur, der ligner et tidligt fosterstadie, kaldet en blastocyst. Stadiet indtræffer i livmoderen 14 dage efter befrugtningen har fundet sted.
3. dag i laboratoriet = 3. uge i virkeligheden
Celleklump afslører vigtigt fosterstadie
Stamcellerne omorganiserer sig til en aflang klump, der ligner det hidtil uudforskede gastruleringsstadie. Her deler fostret sig i tre forskellige celletyper, der senere bliver hhv. nerver, muskler og organer.
Fremtiden?
Nye celler puster liv i hjernen og hjertet
Om fem-ti år regner forskerne med at kunne tilføje celler, som efterligner moderkagens funktion og får organer som hjerne og hjerte til at vokse. Lykkes det, vil de kunstige menneskefostre leve længe nok til, at man kan registrere hjerteslag.
Forskergruppen har lavet hundreder af de små gastruloider. I løbet af blot 72 timer samlede stamcellerne sig til en klump, der strakte sig til en oval form, som i et naturligt foster tegner grundskitsen til kroppens over- og underkrop og forside og bagside.
Cambridge-forskerne kunne tilmed se, at de enkelte celler i gastruloiderne specialiserede sig og ligesom i naturlige fostre inddelte kimbladene sig i tre celletyper ved navn ektoderme, mesoderme og endoderme celler, der bliver til hhv. nervesystemet, musklerne og de indre organer.
Se udviklingen ske i stamceller i mus
Foster skal løse medicinske gåder
Forskerne betegner de små celleklumper som modeller, for selvom de rummer både de spæde forstadier til hjerte og nervesystem, mangler de celleanlægget til en hjerne og evnen til at danne en moderkage. Dermed vil de aldrig kunne udvikle sig til egentlige fostre, og efter maksimalt fire dage kollapser gastruloiderne af sig selv.
Med fosterkopierne kan biologer i laboratoriet følge den kritiske fase i fosterudviklingen, der er mistænkt som arnestedet for et hav af sygdomme, som medfødt hjertefejl, skæv ryg og rygmarvsbrok, men også fx autisme, Downs syndrom og kræft. Genteknologi kan røbe, hvilke dele af fosterets dna der påvirker udviklingen i hvert af gastruleringens trin – og derigennem gøre forskerne klogere på, hvorfor der opstår fejl i processen.
Udviklingen af de kunstige fostre i tredje uge af graviditeten kan måske også afsløre fejl i oversættelsen fra dna-kode til nye cellekopier. Det kan øge viden om, hvad der forårsager spontane aborter og dermed danne baggrund for en kur mod barnløshed.
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 sigt vil de kunstige fostre også kunne bruges til at teste præcis, hvordan medicin påvirker menneskelige fostre.
Normalt bliver forsøgsdyr brugt til formålet, men dyrs fosterudvikling har flere gange vist sig at adskille sig fra menneskers. Fx havde morgenkvalme-præparatet thalidomid ingen skadelige virkninger på mus, men medførte svære medfødte misdannelser på arme og ben hos tusindvis af børn født af forældre i 50’erne og 60’erne.
Indblik i fosterets vigtige udviklingstrin i den tredje uge af graviditeten kan også belyse, hvordan alkohol og infektioner skader fostre. Alkoholindtag under graviditeten kan fx føre til medfødte skavanker hos børn, som vækstproblemer og hjerneskade, mens en infektion med Zika-virus kan medføre små hoveder og underudviklede hjerner.
Forklaringen på hvordan og hvorfor disse misdannelser finder sted har indtil nu været skjult i fosterets gastruleringensfase.
I fremtiden håber forskerne at blive i stand til at danne de kunstige fostre med såkaldte inducerede pluripotente stamceller, der dannes ved at tvinge celler fra et fuldvoksent menneske tilbage på et tidligere cellestadie, hvorfra de kan udvikle sig til hvad som helst. Dermed kan gastruloiderne udvikles helt uden æg og sæd fra en mor og far og en ny milepæl være nået på vejen mod kunstigt fremstillet liv.
Definitionen af liv skal gentænkes
Skæringsdatoen for forskning i fostre uden for livmoderen er på 14 dage. Kort efter afslører celleklumpen nemlig, om den bliver til tvillinger eller ej – og kan dermed videnskabeligt defineres som et eller to individer.
Gastruloiderne må overskride skæringsdatoen, fordi de er kunstigt udviklede og dermed ikke underlagt de samme etiske grænser som naturligt udviklede fostre.
I laboratorieforsøg har forskere fra University of Texas allerede skabt kunstige musefostre med moderkager ud fra celler plukket fra øret på et fuldvoksent individ. Om fem-ti år mener forskere, at de kan tilføje de celler, der danner moderkagen og hjernen i kunstige menneskefostre. Da vil gastruloiderne i endnu højere grad efterligne naturlige fostre.
Forskere opfordrer derfor politikere til at sætte en ny skæringsdato for fostre undersøgt i laboratoriet – kunstige eller ej.
Imens bevæger udviklingen sig mod en fjern fremtid, hvor mennesker teoretisk set kan dyrkes i et akvarium med de rette stamceller og kemikalier. Inden da må videnskaben på ny forholde sig til, hvornår liv er liv.