I den tredje uken av graviditeten blir fundamentet til menneskekroppen støpt dypt inne i livmoren. På det tidspunktet er fostret fortsatt en rund celleklump. I klumpens indre begynner cellene å dele seg i lag som senere utvikler seg til ryggvirvler, torso og hjerte.
Det er det viktigste øyeblikket i fostrets utvikling – og det mest ukjente. Nå har forskere skapt kunstige fostre som gjør det mulig å studere den avgjørende perioden når grunnmuren til kroppen legges.
Metoden gjør forskerne i stand til å imitere fostrets utvikling de første 21 dagene.
Det kan kanskje føre til en behandling mot barnløshet og medfødte sykdommer, men reiser samtidig vanskelige spørsmål om når livet egentlig begynner.
Livets viktigste fase er ukjent
I det øyeblikket en sædcelle befrukter et egg, begynner celledelingsprosessen, som over ni måneder skaper et menneskebarn.
Omkring sju dager inne i graviditeten kapsler det mikroskopiske forstadiet til et foster seg inn i slimhinnen på kvinnens livmorvegg, der celleklumpen gjemmer seg inntil omkring den 28. dagen.
Allerede etter 16–17 dager begynner en helt avgjørende prosess som kalles gastrulering. Her går fostret fra å være en mikroskopisk, uorganisert kule til en individuell organisme.
Gastrulering ble allerede i 1983 omtalt som «den viktigste tiden i livet» av den sørafrikanske biologen Lewis Wolpert. Her omrokere fostret cellene sine og begynner å fordele dem i tre såkalte kimblad som ni måneder senere utgjør nerver, muskler og organer. Under gastruleringen kan det også oppstå en rekke fosterdefekter som enten fører til spontanaborter eller medfødte sykdommer.
Fostrets utvikling inne i livmorveggen er umulig å undersøke, og siden oppfinnelsen av reagensrørbehandling på 1970-tallet har det bare vært lovlig å holde fostre i live utenfor kroppen i opptil 14 dager – altså før gastruleringen begynner. Derfor blir perioden fra dag 14 til 28 beskrevet som den menneskelige utviklingens svarte boks.
Legenes sparsomme kunnskap om prosessen stammer fra samlinger av sjeldne vevsprøver som for eksempel Carnegie Collection of Embryology, med fostre fra hver dag i den menneskelige fosterutviklingen.
I laboratoriet har forskerne må undersøke gastrulering gjennom forsøk med aper, mus og sebrafisker. Så langt.
Kunstig foster åpner svart boks
Etter flere års dyreforsøk har biologer ved University of Cambridge for første gang utviklet kunstige fostre som imiterer sentrale elementer av menneskets første utviklingstrinn helt fram til dag 21 i graviditeten.
Fostrene kalles gastruloider og er bygget opp av stamceller fra befruktede egg som er til overs etter fertilitetsbehandling. Fosterstamcellene er pluripotente, noe som betyr at de kan utvikle seg til stort sett alle de om lag 200 ulike celletypene i den voksne menneskekroppen.
Cellene legges i små petriskåler fylt med en nøye avstemt mikstur av nærings-, vekst- og signalstoffer, som lurer stamcellene til å tro at de utgjør et foster trygt festet i livmoren.
Fosterkopi hermer etter skjult fase
1. dag i laboratoriet = 1. uke i virkeligheten
Koloni av stamceller legges i kjemikaliebad
Forskere dyrker opp en cellekoloni av om lag 400 fosterstamceller blir puttet ned i en væskefylt fordypning. Væsken inneholder en cocktail av stoffer som blant annet får stamcellene til å dele seg raskere.
2. dag i laboratoriet = 2. uke i virkeligheten
Stamceller klumper seg sammen
Signalstoffer i cocktailen starter en prosess der stamcellene samles i en kuleformet cellestruktur som ligner et tidlig fosterstadium, kalt en blastocyst. Stadiet inntreffer i livmoren 14 dager etter befruktningen har funnet sted.
3. dag i laboratoriet = 3. uke i virkeligheten
Celleklump avslører viktig fosterstadium
Stamcellene omorganiserer seg til en avlang klump som ligner det hittil uutforskede gastruleringsstadiet. Her deler fostret seg i tre ulike celletyper som senere blir henholdsvis nerver, muskler og organer.
Fremtiden?
Nye celler blåser liv i hjernen og hjertet
Om fem-ti år regner forskerne med å kunne legge til celler som etterligner morkakens funksjon og får organer som hjerne og hjerte til å vokse. Lykkes det, vil de kunstige menneskefostrene leve lenge nok til at man kan registrere hjerteslag.
Forskergruppen har laget hundrevis av de små gastruloidene. I løpet av bare 72 timer samlet stamcellene seg til en klump som strakte seg til en oval form, som i et naturlig foster tegner grunnskissen til kroppens over- og underkropp og forside og bakside.
Cambridge-forskerne kunne dessuten se at de enkelte cellene i gastruloidene spesialiserte seg, akkurat som i naturlige fostre, og delte inn kimbladene i tre celletyper ved navn ektoderme, mesoderme og endoderme celler, som blir til henholdsvis nervesystemet, musklene og de indre organene.
Se utviklingen skje i stamceller i mus
Foster skal løse medisinske gåter
Forskerne betegner de små celleklumpene som modeller, for selv om de rommer forstadiene til hjerte og nervesystem, mangler de celleanlegget til en hjerne og evnen til å danne en morkake. Dermed vil de aldri kunne utvikle seg til egentlige fostre, og etter maksimalt fire dager kollapser gastruloidene av seg selv.
Med fosterkopiene kan biologer følge den kritiske fasen i fosterutviklingen som er mistenkt som arnestedet for et hav av sykdommer, som medfødt hjertefeil, skjev rygg og ryggmargsbrokk, men også for eksempel autisme, Downs syndrom og kreft. Genteknologi kan røpe hvilke deler av fostrets DNA det påvirker utviklingen i hvert av gastruleringens trinn – og dermed gi forskerne informasjon om hvorfor det oppstår feil i prosessen.
Utviklingen av de kunstige fostrene i tredje uke av graviditeten kan kanskje også avsløre feil i oversettelsen fra DNA-kode til nye cellekopier. Det kan bidra med kunnskap om hva som forårsaker spontanaborter og dermed danne bakgrunn for en kur mot barnløshet.
Det kunstige foster ligner et naturlig foster i tredje uke av graviditeten, men konturene til en hjerne, som opptrer øverst i det normale fosteret, kan forskerne fortsatt ikke gro kunstig.
På sikt vil de kunstige fostre også kunne brukes til å teste akkurat hvordan medisiner påvirker menneskelige fostre.
Normalt blir forsøksdyr brukt til formålet, men det har flere ganger vist seg at fosterutviklingen er annerledes i dyr og mennesker. For eksempel hadde morgenkvalmepreparatet thalidomid ingen skadelige virkninger på mus, men medførte alvorlige misdannelser på tusenvis av barn født på 50-tallet og 60-tallet.
Innblikk i fostrets utviklingstrinn i den tredje uken av graviditeten kan også belyse hvordan alkohol og infeksjoner skader fostre. Alkoholinntak under graviditeten kan for eksempel føre til medfødte skader hos barn, som vekstproblemer og hjerneskade, mens en infeksjon med zika-virus kan medføre små hoder og underutviklede hjerner.
Forklaringen på hvordan og hvorfor disse misdannelsene finner sted, har vært skjult i fostrets gastruleringsfase.
I framtiden håper forskerne å kunne danne de kunstige fostrene med såkalte induserte pluripotente stamceller, som dannes ved å tvinge celler fra et fullvoksent menneske tilbake på et tidligere cellestadium, der de kan utvikle seg til hva som helst. Dermed kan gastruloidene utvikles helt uten egg og sæd fra en mor og far og en ny milepæl være nådd på veien mot kunstig produsert liv.
Definisjonen av liv må reformuleres
Skjæringsdatoen for forskning i fostre utenfor livmoren er på 14 dager. Like etter det avslører celleklumpen nemlig om den blir til tvillinger eller ikke – og kan dermed vitenskapelig defineres som ett eller to individer.
Gastruloidene får overskride skjæringsdatoen fordi de er kunstig utviklet og dermed ikke underlagt de samme etiske grensene som naturlig utviklede fostre.
I laboratorieforsøk har forskere fra University of Texas allerede skapt kunstige musefostre med morkaker ut fra celler plukket fra øret på et fullvoksent individ. Om fem-ti år mener forskere at de kan legge til de cellene som danner morkaken og hjernen i kunstige menneskefostre. Da vil gastruloidene i enda høyere grad etterligne naturlige fostre.
Forskere oppfordrer derfor politikere til å sette en ny skjæringsdato for fostre undersøkt i laboratoriet – kunstige eller ikke.
Imens beveger utviklingen seg mot en framtid der mennesker teoretisk sett kan dyrkes i et akvarium med de rette stamcellene og kjemikaliene. Før det må vitenskapen på ny forholde seg til når liv er liv.