Samenvatting

• Naive Pluripotentie Als Fundament: Hanna’s lab ontwikkelde methoden om volwassen huidcellen (fibroblasten) terug te programmeren naar naive iPSC’s met ground-state pluripotentie, wat de basis legde voor alle verdere embryo-modelonderzoek -> klinische toepassingen van reprogrammering vereisen robuuste naive-cellijnen
• Ex Utero Cultuur Doorbraak (2021): Het Hanna-lab crepeerde het eerste platform om muizenembryo’s buiten de baarmoeder te kweken van E5.5 tot E11, wat zes dagen ononderbroken ontwikkeling mogelijk maakte -> opende de deur naar synthetische embryo-modellen die voorheen onbereikbare ontwikkelingsstadia bestudeerbaar maakten
• Synthetische Muizenembryo’s (2022): Door naive ESC’s te co-aggregeren met cellen die tijdelijk Cdx2 of Gata4 tot expressie brachten, werden post-gastrulatie Embryo’s gegenereerd met kloppend hart, darmbuis, somieten en neurale buis -> bewees dat naive pluripotente cellen zelf-organiserend een compleet zoogdierembryo kunnen reconstrueren
• Compleet Menselijk Embryomodel Dag 14 (2023): Zonder genetische modificatie werden uit naive ES-cellen complete SEM’s gegenereerd die alle compartimenten van een post-implantatie embryo nabootsen tot dag 13-14 -> verschafte een ethisch alternatief voor onderzoek naar de “black box” van vroege menselijke ontwikkeling
• Huidcellen Naar Embryomodel: Fibroblasten van beta-thalassemie patienten werden via het 5i/L/FA-systeem omgezet in naive iPSC’s en vervolgens gecorrigeerd met CRISPR/Cas9 -> toont aan dat patient-specifieke huidcellen een route bieden naar zowel ziektemodellering als embryo-onderzoek
• 14-Dagenregel Onder Druk: De ISSCR-richtlijnen (2021) classificeren SCBEM’s als Category 2B/3 met speciale toezichtseisen, maar niet als embryo’s -> naarmate modellen realistischer worden, neemt de druk toe om de 14-dagenregel te herzien of te verduidelijken
• Dawn Bio Spin-Off: Hanna richtte Dawn Bio op, een bedrijf dat embryo- en implantatiemodellen gebruikt voor IVF-therapieontwikkeling -> academisch onderzoek vertaalt zich naar commerciiele toepassingen voor vruchtbaarheidsbehandeling
• Zelf-Assemblage Efficiente: Van 120 chemisch geprepareerde cellen assembleerde slechts ongeveer 1% spontaan tot een embryostructuur -> de lage efficiente wijst op fundamentele vragen over welke signalen zelf-organisatie sturen en hoe deze te optimaliseren

Van Huidcel Naar Naive Stamcel: De Reprogrammeringspipeline

Jacob Hanna’s onderzoeksprogramma is geworteld in een fundamentele vraag: hoe kan een gedifferentieerde volwassen cel, zoals een huidcel (fibroblast), worden teruggebracht naar de meest primitieve, ongedifferentieerde toestand van pluripotentie? Deze zogenaamde “naive” toestand komt overeen met het pre-implantatie blastocyst-stadium (dag 5-7 bij de mens), waarin cellen het vermogen hebben om zich te ontwikkelen tot elk weefseltype, inclusief zowel het eigenlijke embryo als de extraembryonale structuren zoals placenta en doierzak.

Het Hanna-lab publiceerde in 2015 een baanbrekende studie waarin fibroblasten van een beta-thalassemie-patient werden gereprogrammeerd tot naive iPSC’s via het transgene-vrije 5i/L/FA-systeem onder gedefinieerde cultuuromstandigheden [27]. Deze naive iPSC’s vertoonden ground-state pluripotentie met transcriptieprofielen en epigenetische handtekeningen die vergelijkbaar waren met muizen-ESC’s. Cruciaal was dat deze cellen aanzienlijk verbeterde enkel-kloon kloningscapaciteit en herstelvermogen vertoonden, en vervolgens efficiient konden worden gecorrigeerd met CRISPR/Cas9. Dit toonde aan dat patient-specifieke huidcellen een haalbaar startpunt vormen voor zowel therapeutische geneditie als embryo-modellering.

In 2021 publiceerde het lab een verdere verfijning van de humane naive pluripotentie-omstandigheden, waarbij reporter-systemen werden ontwikkeld om gedefinieerde condities te screenen die moleculaire en functionele kenmerken van humane naive pluripotentie induceerden [17]. Dit werk was essentieel omdat humane cellen veel moeilijker in naive toestand te brengen zijn dan muizencellen – een verschil dat rechtstreeks verklaart waarom het maken van synthetische humane embryo-modellen jaren langer duurde dan hun muizenequivalenten.

De reprogrammeringspipeline werkt als volgt: huidfibroblasten worden eerst via Yamanaka-factoren (of vergelijkbare methoden) omgezet naar geinduceerde pluripotente stamcellen (iPSC’s) in de primed toestand, en vervolgens verder “gereset” naar de naieve toestand met behulp van specifieke small-molecule remmers en groeifactoren. Het is deze naive toestand die de cellen hun volledige ontwikkelpotentieel teruggeeft en ze in staat stelt om bij te dragen aan alle lijnen van een synthetisch embryo-model.

Ex Utero Muizenembryo-Cultuur: Het Platform (2021)

Voordat synthetische embryo’s konden worden gegenereerd, moest eerst een platform worden ontwikkeld om natuurlijke embryo’s buiten de baarmoeder te laten ontwikkelen. In maart 2021 publiceerden Aguilera-Castrejon et al. in Nature een elektronisch gecontroleerd ex utero cultuursysteem dat muizenembryo’s van pre-gastrulatie (E5.5) tot aan het achterpootvormingsstadium (E11) kon ondersteunen [1].

Het systeem combineert twee modi: een statische cultuur voor de vroegste stadia (E5.5-E7.5) en roterende flessen voor latere stadia (vanaf E7.5). Histologische, moleculaire en single-cell RNA-sequencing analyses bevestigden dat de ex utero gekweekte embryo’s de in utero ontwikkeling nauwkeurig recapituleerden. Het systeem maakte ook micromanipulaties en embryonale verstoringen mogelijk waarvan de resultaten tot zes dagen konden worden gevolgd.

Deze doorbraak was om twee redenen kritiek. Ten eerste verschafte het direct inzicht in ontwikkelingsstadia die voorheen alleen in vivo bestudeerbaar waren. Ten tweede – en dit was strategisch cruciaal – creperde het de infrastructuur die nodig was om synthetische embryo-modellen te kweken en te bestuderen. Zonder dit platform zouden de synthetische embryo’s die twee jaar later werden gegenereerd, niet tot wasdom hebben kunnen komen.

Synthetische Muizenembryo’s: Post-Gastrulatie Modellen (2022)

In augustus 2022 publiceerden Tarazi et al. in Cell de generatie van post-gastrulatie synthetische embryo’s (sEmbryos) uit muizen naieve ESC’s [16]. De methode omvatte co-aggregatie van niet-getransduceerde ESC’s met naieve ESC’s die tijdelijk Cdx2 tot expressie brachten (voor trophectoderm-lijnen) of Gata4 (voor primitieve endoderm-lijnen). Deze werden gekweekt op het ex utero platform met elektronisch gecontroleerde omstandigheden en ex utero cultuurmedium (EUCM).

De resulterende Embryo’s waren eicilindervormig en vergelijkbaar met E8.5 muizenembryo’s. Ze doorliepen gastrulatie en ontwikkelden orgaan-specifieke progenitorcellen binnen complexe extraembryonale compartimenten. De gevormde organen en structuren omvatten een kloppend hart, darmbuis, somieten, migrerende primordiale geslachtscellen (PGC’s), gepatenteerde neurale buis en hersengebieden inclusief voor- en middenhersenen. Een bijzonder belangrijke bevinding was dat het trophectoderm-afgeleide extraembryonale compartiment uitsluitend uit muizen naive ESC’s kon worden gegenereerd, zonder dat natuurlijke-embryo-afgeleide TSC-lijnen vereist waren.

Dit resultaat toonde voor het eerst aan dat naive pluripotente cellen het plastic potentieel bezitten om zelf-organiserend het gehele zoogdierembryo na gastrulatie functioneel te reconstrueren. Het bewees het concept dat stamcellen, mits in de juiste omgeving geplaatst, de ingebouwde instructies bevatten om een compleet organisme te vormen – een principe dat direct zou worden toegepast op humane modellen.

Compleet Menselijk Embryomodel: Dag 14 (2023)

In september 2023 publiceerden Oldak et al. in Nature de generatie van complete humane dag-14 post-implantatie embryomodellen uit naieve ES-cellen [2]. Dit was het meest complexe en invloedrijke resultaat uit het Hanna-lab tot nu toe.

De gebruikte cellen omvatten genetisch ongemodificeerde humane naive ES-cellen (lijnen WIBR1, WIBR2, WIBR3, RUES2) en iPS-cellen (JH22, JH33), gekweekt in “human enhanced naive stem cell medium.” In tegenstelling tot het muizenprotocol vereiste het humane protocol geen genetische modificatie of overexpressie van exogene lijn-factoren. De cellen werden chemisch gedifferentieerd naar vier typen – trophoblast (placenta), epiblast (eigenlijk embryo), hypoblast (doierzak) en extraembryonale mesodermcellen – en vervolgens gemengd in een precieze verhouding van 120 cellen. Ongeveer 1% assembleerde spontaan tot de embryostructuur [4].

De resulterende SEM’s recapituleerden vrijwel alle bekende lijnen en compartimenten van post-implantatie humane embryo’s, waaronder epiblast, hypoblast, extraembryonair mesoderm en omringende trophoblast-laag. Ze bootsten ontwikkelingskenmerken na tot dag 13-14 na bevruchting (Carnegie-stadium 6a), waaronder bilaminaire schijfformatie, epiblast-lumenogenese en primordiale geslachtscel-specificatie. De structurele gelijkenis was zo treffend dat Prof. Hanna het beschreef als een “textbook image of a human day-14 embryo” [4]. Bovendien produceerden de modellen actieve zwangerschapshormonen die een positief resultaat op commerciiele zwangerschapstesten veroorzaakten.

Een kritieke bevinding was dat als het embryo niet door placenta-vormende cellen werd omhuld op dag drie van het protocol (equivalent aan natuurlijke dag 10), de doierzak niet goed ontwikkelde. Dit wijst op een cruciaal tijdsvenster voor extraembryonale-embryonale interacties dat ook in vivo relevant is voor implantatiesucces.

Kenmerk	Muizen sEmbryo (2022)	Menselijk SEM (2023)
Broncellen	Naieve ESC’s + Cdx2/Gata4 getransduceerd	Naieve ES/iPS-cellen, geen genetische modificatie
Ontwikkelingsstadium	E8.5 (post-gastrulatie)	Dag 13-14 (Carnegie 6a, pre-gastrulatie)
Kloppend hart	Ja	Nee (voorgastrulatie)
Neurale buis	Ja (voor- en middenhersenen)	Nee
Extraembryonale structuren	Trophectoderm uit naive ESC’s	Trophoblast, doierzak, chorionzak
Zwangerschapshormonen	Niet gerapporteerd	Ja, positieve test
Efficiente	Niet gespecificeerd	~1% assembleert

De lage efficiente en het beperkte ontwikkelingsstadium bij de humane modellen vergeleken met de muizenmodellen illustreren zowel de grotere complexiteit van humane ontwikkeling als de technische uitdagingen die nog moeten worden overwonnen.

Van Muis Naar Mens: Vergelijkende Analyse

De overgang van muizen- naar humane embryomodellen volgde een strategische route die door Hanna expliciet werd ontworpen. Het muizenwerk diende als proof-of-concept en technologisch testbed, terwijl het humane werk de klinisch relevante toepassing vertegenwoordigde.

Het muizenmodel (2022) vereiste tijdelijke transductie van Cdx2 en Gata4 om extraembryonale lijnen te genereren, een benadering die functioneel was maar genetische interventie vereiste. Voor het humane model (2023) ontwikkelde het team een chemisch-gebaseerde differentiatiestrategie die volledig zonder genetische modificatie werkte – een essentiieze vereiste voor uiteindelijke klinische toepassingen en een ethische positie. Hanna vermeldde hierover: “I give great credit to the cells – you have to bring the right mix and have the right environment and it just takes off. That’s an amazing phenomenon” [4].

De fundamentele kloof tussen de twee systemen ligt in het bereikte ontwikkelingsstadium. Muizen sEmbryos bereikten post-gastrulatie met orgaanvorming (kloppend hart, neurale buis), terwijl humane SEM’s stopten bij pre-gastrulatie (dag 14). Deels weerspiegelt dit de 14-dagenregel die onderzoek met humane embryo’s beperkt, en deels weerspiegelt het de grotere technische moeilijkheid van humane ex utero cultuur. Het muizen ex utero platform (2021) kon embryo’s van E5.5 tot E11 kweken – zes volle dagen van ontwikkeling. Een vergelijkbaar platform voor humane embryo’s bestaat nog niet en zou aanzienlijk complexer zijn gezien de langere humane zwangerschapsduur en andere mechanische vereisten.

Ethische Kaders: De 14-Dagenregel En ISSCR-Richtlijnen

Het onderzoek van Hanna beweegt zich langs de grens van wat ethisch aanvaardbaar is binnen de huidige regelgeving. De 14-dagenregel, een internationaal erkende grens die onderzoek met humane embryo’s buiten de baarmoeder beperkt tot de eerste 14 dagen na bevruchting, vormt de belangrijkste institutionele beperking [21].

De ISSCR-richtlijnen (2021) classificeren stamcel-gebaseerde embryomodellen (SCBEM’s) in Category 2B (integratieve modellen die meerdere lijnen nabootsen) en Category 3 (modellen die nauw verwant zijn aan complete embryo’s). Beide categorieen vereisen speciale toezichtseisen en ethische herziening, maar SCBEM’s worden niet als biologisch equivalent aan embryo’s beschouwd. Critici betogen echter dat naarmate de modellen realistischer worden – zoals Hanna’s dag-14 modellen die zwangerschapshormonen produceren – de grens tussen “model” en “embryo” vervaagt.

Het Hanna-lab hield zich strikt aan de ISSCR-richtlijnen: er werden geen nieuwe ES-lijnen afgeleid, geen foetale abortussen gebruikt, geen gedoneerde blastocisten gebruikt en werden de SEM’s niet in utero overgebracht naar andere soorten. Alle humane SEM’s werden beperkt tot ontwikkelingsstadia die niet verder gingen dan 14 dagen post-fertilisatie. Het Weizmann Institutional Review Board (IRB) leverde ethisch toezicht. Toch roept het onderzoek fundamentele vragen op over de morele status van stamcel-gebaseerde embryomodellen en of de 14-dagenregel, oorspronkelijk ontworpen voor natuurlijke embryo’s, toereikend is voor synthetische constructies die technisch gezien geen bevruchting vereisen.

Klinische En Commerciele Implicaties: Dawn Bio

Hanna’s academische onderzoek heeft geleid tot de oprichting van Dawn Bio, een bedrijf dat zich profileert als “a human stem-cell based embryo and implantation model” [14]. Het bedrijf, gevestigd in het Vienna BioCenter, ontwikkelt een platformtechnologie die is ontworpen om moleculen te ontdekken en ontwikkelen die gezonde levendgeborenen bij IVF bevorderen.

De vertaling van academisch onderzoek naar een commercieel platform illustreert de toegepaste potentie van Hanna’s werk. Waar het onderzoek in het lab primair gericht is op het begrijpen van vroege ontwikkelingsbiologie, richt Dawn Bio zich op het identificeren van factoren die implantatiesucces verbeteren – een directe klinische toepassing die de kloof tussen fundamentele wetenschap en patientenzorg overbrugt.

Daarnaast opperde het Hanna-lab dat de embryomodellen kunnen dienen als platform voor medicijntesten op foetale toxiciteit, voor het kweken van weefsels voor transplantatie, en voor het bestuderen van de oorzaken van aangeboren afwijkingen en onvruchtbaarheid [11]. De mogelijkheid om patient-specifieke iPSC’s (bijvoorbeeld uit huidcellen) te gebruiken als bron voor embryomodellen opent de deur naar gepersonaliseerde modellering van genetische ziekten.

Synthese

Het onderzoek van Jacob Hanna vormt een samenhangend programma dat beweegt van celreprogrammering via platformontwikkeling naar synthetische embryologie, met toenemende complexiteit en klinische relevantie. Drie fundamentele spanningen doorkruisen dit werk:

Ten eerste de spanning tussen efficiëntie en betrouwbaarheid. De lage assemblage-efficiëntie van ~1% bij humane SEM’s betekent dat het proces deels onvoorspelbaar blijft, wat de reproduceerbaarheid en bruikbaarheid voor screeningstoepassingen belemmert. Het mechanisme dat de ~1% succesvolle assemblage stuurt, is onvoldoende begrepen – het kan liggen in subtiële variaties in celtoestand, micro-omgevingsgradienten, of stochastiche factoren. Tot dit mechanisme wordt ontrafeld, blijft de technologie meer een wetenschappelijk hulpmiddel dan een robuust industrieel platform.

Ten tweede de spanning tussen biologische realiteit en ethische classificatie. Naarmate SEM’s meer kenmerken van natuurlijke embryo’s vertonen – zwangerschapshormonen, bilaminaire schijfformatie, primordiale geslachtscelspecificatie – wordt het onderscheid tussen “model” en “embryo” semantisch in plaats van biologisch. De ISSCR classificeert SCBEM’s als niet-equivalent aan embryo’s, maar deze classificatie berust op technische criteria (geen bevruchting, geen baarmoeder-implantatiepotentieel) die kunnen verschuiven naarmate de technologie vordert. De aanbeveling is om proactief een nieuw ethisch kader te ontwikkelen dat gebaseerd is op functionele capaciteit in plaats van oorsprong.

Ten derde spanning tussen muizen- en humane modellen. Het muizenmodel bereikte post-gastrulatie met orgaanvorming, maar het humane model bleef steken bij pre-gastrulatie dag 14. Deels is dit een gevolg van de 14-dagenregel, maar het weerspiegelt ook fundamentele biologische verschillen: humane blastocysten implanteren later, humane gastrulatie begint pas rond dag 14-15, en humane cellen zijn moeilijker in naieve toestand te brengen en te handhaven. De route van huidcel naar embryomodel is bij de muis korter en voorspelbaarder dan bij de mens, wat betekent dat klinische toepassingen gebaseerd op humane modellen nog aanzienlijke technologische vooruitgang vereisen.

De convergentie van reprogrammeringstechnologie, ex utero cultuurplatforms en zelf-organisatie van naive stamcellen vertegenwoordigt een paradigaverschuiving in de ontwikkelingsbiologie. Waar het veld voorheen afhankelijk was van natuurlijke embryo’s (met alle ethische en logistieke beperkingen van dien), biedt Hanna’s programma een schaalbaar, ethisch verantwoord alternatief dat bovendien patient-specifieke modellering mogelijk maakt via huidcel-afgeleide iPSC’s. De uitdaging voor de komende jaren is om de efficiëntie te verhogen, de ethische kaders mee te laten evolueren, en de kloof tussen muizen- en humane modelcapaciteiten te overbruggen.

Referenties

1. Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to …. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33731940/
2. Complete human day 14 post-implantation embryo models … – Nature. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06604-5
3. Post-gastrulation synthetic embryos generated ex utero …. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00981-3
4. Scientists grow whole model of human embryo, without sperm or egg. https://www.bbc.com/news/health-66715669
5. Publications | Jacob Hanna Lab – Weizmann Institute of Science. https://www.weizmann.ac.il/molgen/hanna/publications
6. Cellular Reprogramming and Pluripotency Featuring Dr. Jacob Hanna. https://www.stemcell.com/cellular-reprogramming-pluripotency-jacob-hanna.html
7. Jacob Hanna Lab: The Stem Cell Podcast Featured Lab. https://stemcellpodcast.com/jacob-hanna-lab-the-stem-cell-podcast-featured-lab
8. #10IVIRMACongress | Interview with Dr Jacob Hanna – YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=2ALC6ii5czs
9. ‪Jacob H. Hanna – MD PhD‬ – ‪Google Scholar‬. https://scholar.google.com/citations?user=Q-jUVCUAAAAJ&hl=en
10. Jacob Hanna‏ – ‏Professor at Weizmann Institute of Science & Co …. https://il.linkedin.com/in/jacob-hanna-2632b9b9
11. Dynamic Models of Complete, Day 14 Human Embryos Grown from …. https://www.weizmann-usa.org/news-media/news-releases/structure-matters-dynamic-models-of-complete-day-14-human-embryos-grown-from-stem-cells-in-a-weizmann-lab/
12. Post-gastrulation synthetic embryos generated ex utero from mouse …. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35988542/
13. Jacob Hanna Lab – Weizmann Institute of Science. https://www.weizmann.ac.il/molgen/hanna/
14. Dawn Bio: Home. http://dawn-bio.com/
15. dawn bio – Vienna BioCenter. http://viennabiocenter.org/companies/biotech-companies/dawn-bio
16. Post-gastrulation synthetic embryos generated ex utero from mouse naive ESCs: Cell. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674%2822%2900981-3
17. Principles of signaling pathway modulation for enhancing human …. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590921001582
18. Jacob Hanna – Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Jacob_Hanna
19. Cellular Reprogramming. http://platform.tracxn.com/a/d/company/586e1ceee4b05dc5f6befdfd/cellular%20reprogramming#a:about
20. Guidelines — International Society for Stem Cell Research. https://www.isscr.org/guidelines
21. Stem cell-based embryo models: The 2021 ISSCR … – PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12181966/
22. The moral status of stem cell-derived embryo models – NordForsk. https://www.nordforsk.org/events/2023/moral-status-stem-cell-derived-embryo-models
23. Complete human day 14 post-implantation embryo models from …. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37673118/
24. Model human embryos grown from stem cells | Weizmann Impact 2023. https://www.weizmann.ac.il/impact-report/2023/JacobHanna.html
25. Human Embryo Models Made From Pluripotent Stem Cells are Not …. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10927377/
26. Scientists create model human embryo lasting 14 days …. https://www.sciencefocus.com/news/synthetic-human-embryo-14-days
27. Naïve Induced Pluripotent Stem Cells Generated From β …. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4704878/
28. VIDEO: Synthetic Ex Utero Embryogenesis: From Naive …. https://www.uctv.tv/shows/Synthetic-Ex-Utero-Embryogenesis-From-Naive-Pluripotency-to-Stem-Cell-Derived-Embryo-Models-with-Jacob-Hanna-38323
29. Synthetic human embryos created in groundbreaking …. https://www.theguardian.com/science/2023/jun/14/synthetic-human-embryos-created-in-groundbreaking-advance
30. Mouse embryos grown without egg, sperm or womb. https://www.regmednet.com/researchers-grow-synthetic-mouse-embryo-models-from-stem-cells-in-an-artificial-womb/
31. Weizmann Institute Of Science – Nonprofit Explorer. http://projects.propublica.org/nonprofits/organizations/980413360