Улучшенная модель для изучения эмбрионального развития

Исследование аспиранта Бохана Чена из лаборатории Идсе Хемскерка (Департамент клеточной и биологии развития Медицинской школы Мичиганского университета) и его коллег усовершенствовало популярную экспериментальную модель, что позволило раскрыть больше деталей о критическом периоде формирования эмбриона.

Результаты опубликованы в журнале Nature Methods.

Изучение развития частично направлено на понимание того, что может пойти не так при формировании структур тела. Конечная цель — предотвращение врожденных дефектов и выявление причин неудачной беременности.

Однако изучение эмбрионов в лаборатории сопряжено с серьезными этическими и техническими сложностями.

Чтобы обойти эти проблемы, многие исследователи используют простые 2D-структуры из стволовых клеток, называемые гаструлоидами. Гаструлоиды культивируются in vitro (в чашке Петри) и моделируют некоторые самые ранние моменты развития, не имея потенциала стать человеком.

Гаструлоиды воссоздают аспекты процесса, называемого гаструляцией.

Во время гаструляции так называемая первичная полоска клеток дает начало трем эмбриональным зародышевым листкам, которые в итоге формируют план тела: эктодерме (наружному слою), дающей начало коже, нервной системе и другим внешним структурам; мезодерме (среднему слою), из которой образуются сердце, мышцы, кости и другие внутренние структуры; и энтодерме (внутреннему слою), становящейся ЖКТ, легкими, печенью и другими органами.

Однако культивирование гаструлоидов in vitro обычно поддерживалось не более двух дней. После этого клетки теряли организацию и прекращали развитие.

«Мы начали использовать другую питательную среду и внесли несколько других улучшений в модель, — сказал Хемскерк. — И когда мы попробовали выращивать клетки более двух дней, это сработало и привело к действительно интересным результатам».

Во-первых, команда увидела, что стволовые клетки развивающейся мезодермы начали перемещаться под исходный однослойный пласт клеток, формируя многослойную структуру, как в настоящем эмбрионе.

«Этот процесс очень сложно визуализировать; мы даже не знаем, как он работает у мышей», — отметил Хемскерк.

Тем не менее, их расширенная модель позволила увидеть, что миграция стволовых клеток мезодермы направлена от края группы клеток к центру.

«Это означает, что есть что-то — мы пока не знаем что, — указывающее им направление движения. Теперь у нас есть система, в которой мы можем выяснить, что именно направляет их движение», — сказал Хемскерк.

Это критически важно для понимания того, что идет не так в определенных случаях, например, при возникновении врожденного порока сердца.

Команда также определила, что клетки мезодермы в гаструлоиде представлены несколькими различными подтипами, экспрессирующими разные гены, что они визуализировали с помощью флуоресценции.

«Глядя на то, какой ген экспрессирует клетка, можно примерно понять, каким органом она в итоге станет», — пояснил Хемскерк.

Это ставит вопрос: знают ли клетки свою судьбу до миграции, или их конечное положение определяет, чем они станут?

Хемскерк надеется продолжить эту работу, используя расширенную модель, чтобы ответить на эти и другие вопросы о развитии млекопитающих, и заключил: «Это простая модель, которая позволяет нам видеть вещи, очень трудные для наблюдения в сложной 3D-структуре, но при этом она фиксирует биологические явления и позволяет избежать проблем, связанных с работой с эмбрионами».