

Mata rantai yang hilang dalam penelitian sel induk akhirnya tercipta setelah upaya selama beberapa dekade
LONDON — Para ilmuwan telah mencapai tonggak penting dalam menciptakan kembali perkembangan jaringan manusia di laboratorium, dengan berhasil menghasilkan notochord – ciri khas vertebrata yang bertindak seperti sistem GPS biologis, yang mengarahkan ke mana dan bagaimana tulang belakang dan sistem saraf kita harus berkembang. Terobosan yang dilakukan oleh para peneliti di The Francis Crick Institute di London ini membawa kita lebih dekat untuk memahami perkembangan awal manusia dan dapat mempercepat penelitian mengenai kondisi tulang belakang dan nyeri punggung.
Di dalam setiap embrio manusia, notochord berbentuk batang muncul pada tahap awal perkembangan. Meskipun para ilmuwan telah membuat kemajuan signifikan dalam menumbuhkan berbagai jaringan manusia di laboratorium selama dekade terakhir, menciptakan kembali notochord masih menjadi tantangan yang terus-menerus hingga saat ini.
“Sulit untuk menghasilkan jaringan vital ini di laboratorium, sehingga membatasi kemampuan kita untuk mempelajari perkembangan dan kelainan pada manusia,” jelas penulis senior studi James Briscoe, Pemimpin Kelompok Laboratorium Dinamika Perkembangan institut tersebut, dalam sebuah pernyataan. “Sekarang kami telah menciptakan model yang berhasil, hal ini membuka pintu untuk mempelajari kondisi perkembangan yang selama ini kami tidak tahu.”
Tim peneliti pertama-tama memetakan sinyal molekuler yang memandu pembentukan notokord selama perkembangan normal. Mereka mempelajari embrio ayam untuk memahami gen mana yang aktif dalam tipe sel berbeda ketika jaringan mengorganisir dirinya sendiri, membandingkan temuan mereka dengan data yang ada dari embrio tikus dan monyet. Analisis komprehensif mereka, dipublikasikan di jurnal Alammengungkapkan bahwa waktu sangatlah penting. Sel perlu terkena sinyal tertentu dalam urutan yang tepat agar dapat berkembang dengan baik.


“Menemukan sinyal kimia yang tepat untuk menghasilkan notochord seperti menemukan resep yang tepat,” kata Tiago Rito, penulis pertama studi tersebut. “Upaya sebelumnya untuk menumbuhkan notochord di laboratorium mungkin gagal karena kami tidak memahami waktu yang diperlukan untuk menambahkan bahan-bahan tersebut.”
Berbekal pengetahuan ini, para ilmuwan mengembangkan kerangka kerja untuk menumbuhkan jaringan notochord. Mereka menemukan bahwa memblokir sementara dua jenis sinyal molekuler – BMP dan NODAL – pada waktu tertentu adalah kuncinya. Ketika sinyal-sinyal ini dihambat 24 jam setelah memulai pengembangan jaringan, banyak sel mengadopsi karakteristik notokord. Namun, memblokir sinyal-sinyal ini terlalu dini atau terlambat akan menghasilkan jenis jaringan lain.
Jaringan yang dihasilkan di laboratorium, yang oleh tim dijuluki “notoroids,” mengembangkan struktur memanjang yang sangat mirip dengan yang terlihat pada embrio yang sedang berkembang. Struktur ini secara spontan memanjang hingga 1-2 milimeter, berisi garis sel notokord yang menonjol melewati pusatnya, dikelilingi oleh jaringan saraf dan sel prekursor otot. Sekitar 70-75% upaya berhasil menghasilkan struktur ini, dengan sel notokord mengekspresikan gen yang sesuai dan menunjukkan ciri khas seperti kompartemen seluler khusus dan hubungan antar sel.


“Hal yang sangat menarik adalah bahwa notochord dalam struktur yang kami kembangkan di laboratorium tampaknya berfungsi serupa dengan fungsi pada embrio yang sedang berkembang,” jelas Rito. “Ini mengirimkan sinyal kimia yang membantu mengatur jaringan di sekitarnya, seperti yang terjadi selama perkembangan pada umumnya.”
Penelitian ini juga mengungkapkan wawasan baru mengenai tarian molekuler yang mengatur perkembangan jaringan. Tim menemukan bahwa protein yang disebut YAP membantu mengoordinasikan kapan dan di mana sel mengaktifkan gen tertentu. Temuan ini dapat memiliki implikasi yang lebih luas untuk memahami bagaimana jaringan kompleks mengatur dirinya sendiri selama perkembangan.


Selain meningkatkan pemahaman kita tentang perkembangan manusia, terobosan ini juga dapat mempercepat penelitian terhadap kondisi yang mempengaruhi tulang belakang dan sistem saraf. Notochord memainkan peran penting dalam pembentukan jaringan ini, dan perkembangan notochord yang abnormal telah dikaitkan dengan berbagai kelainan. Penelitian ini mungkin juga menjelaskan kondisi yang mempengaruhi cakram intervertebralis – bantalan penyerap guncangan yang penting di antara tulang belakang yang berkembang dari jaringan notokord. Karena cakram ini sering mengalami kemunduran seiring bertambahnya usia, sehingga menyebabkan nyeri punggung, pemahaman yang lebih baik mengenai perkembangan cakram ini dapat mengarah pada pendekatan terapi baru.
Ke depan, kemampuan menumbuhkan jaringan notochord di laboratorium membuka kemungkinan baru untuk pengobatan regeneratif dan pengembangan obat. Meskipun penerapannya dalam pengobatan pasien secara langsung masih memerlukan waktu bertahun-tahun, jaringan-jaringan ini dapat memberikan landasan pengujian yang sangat berharga untuk pendekatan terapi baru.
Masa depan penelitian biologi perkembangan semakin menggelitik.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan pendekatan sistematis yang menggabungkan analisis perkembangan alam dengan eksperimen laboratorium terkontrol. Mereka pertama kali mempelajari embrio ayam menggunakan pengurutan RNA sel tunggal untuk mengidentifikasi gen mana yang aktif dalam tipe sel berbeda selama perkembangan, membandingkan temuan mereka dengan data yang ada dari embrio tikus dan monyet. Ini memberikan peta molekuler tentang bagaimana jaringan biasanya mengatur dirinya sendiri. Mereka kemudian menggunakan informasi ini untuk mengembangkan protokol untuk menumbuhkan jaringan manusia dari sel induk, menguji berbagai kombinasi dan pengaturan waktu sinyal molekuler. Terobosan utama datang dari pengendalian yang tepat ketika jalur sinyal tertentu diblokir menggunakan inhibitor kimia.
Hasil
Tim tersebut berhasil menghasilkan jaringan tiga dimensi yang mengandung sel notochord dalam sekitar 70-75% percobaan. “Notoroid” ini secara spontan memanjang hingga 1-2 milimeter, dengan sel notokord tersusun dalam garis tengah yang dikelilingi oleh jenis jaringan lain. Sel notokord menunjukkan ciri khas yang terlihat di bawah mikroskop elektron dan mengekspresikan gen yang sesuai. Yang penting, mereka mempengaruhi perkembangan jaringan saraf di dekatnya mirip dengan jaringan notochord alami, menunjukkan kemampuan fungsional lebih dari sekadar kesamaan struktural.
Keterbatasan
Meskipun jaringan yang dikembangkan di laboratorium meniru banyak fitur perkembangan notokord alami, namun tidak secara sempurna cocok dengan jaringan embrionik. Strukturnya lebih kecil dan sederhana dibandingkan embrio asli. Selain itu, mereka tidak memiliki beberapa interaksi kompleks dengan jaringan lain yang terjadi selama perkembangan alami. Penelitian ini juga sangat bergantung pada embrio ayam untuk pemetaan awal, meskipun temuan utama telah divalidasi pada beberapa spesies.
Diskusi dan Kesimpulan
Pekerjaan ini mewakili kemajuan signifikan dalam kemampuan kita untuk mempelajari perkembangan awal manusia dan organisasi jaringan. Keberhasilan dalam menghasilkan jaringan notochord fungsional membuka kemungkinan baru untuk mempelajari gangguan perkembangan dan menguji pengobatan, khususnya untuk kondisi yang mempengaruhi tulang belakang dan cakram intervertebralis. Penelitian ini juga mengungkapkan rincian baru tentang bagaimana sinyal molekuler mengoordinasikan perkembangan jaringan, khususnya peran protein YAP. Wawasan ini dapat diterapkan lebih luas dalam biologi perkembangan dan pengobatan regeneratif.
Pendanaan dan Pengungkapan
Penelitian ini terutama didukung oleh The Francis Crick Institute, yang menerima dana inti dari Cancer Research UK, UK Medical Research Council, dan Wellcome Trust. Dukungan tambahan datang dari Dewan Penelitian Teknik dan Ilmu Fisika dan Wellcome Trust. Para penulis menyatakan tidak ada kepentingan yang bersaing.