Модели человеческого эмбриона выращены из стволовых клеток

Исследовательская группа под руководством профессора Джейкоба Ханны из Института Вейцмана создала полные модели человеческих эмбрионов из стволовых клеток, культивируемых в лаборатории, и смогла вырастить их вне матки до 14-го дня развития. Как сообщается в журнале Nature, эти синтетические модели эмбрионов обладали всеми структурами и отсеками, характерными для этой стадии, включая плаценту, желточный мешок, хорионический мешок и другие внешние ткани, обеспечивающие динамичный и адекватный рост моделей.

Клеточные агрегаты, полученные из человеческих стволовых клеток в предыдущих исследованиях, нельзя было считать по-настоящему точными моделями эмбриона, поскольку им не хватало почти всех определяющих черт пост-имплантационного эмбриона. В частности, в них отсутствовали несколько типов клеток, необходимых для развития эмбриона, например, тех, что формируют плаценту и хорионический мешок. Кроме того, у них не было характерной для эмбриона структурной организации и не наблюдалось динамической способности переходить к следующей стадии развития.

Благодаря своей подлинной сложности, модели человеческого эмбриона, полученные группой Ханны, могут предоставить беспрецедентную возможность пролить новый свет на загадочное начало развития эмбриона. О раннем эмбрионе известно мало из-за сложности его изучения по этическим и техническим причинам, однако его начальные стадии критически важны для будущего развития.

На этих стадиях комок клеток, имплантирующийся в матку на седьмой день своего существования, в течение трех-четырех недель превращается в хорошо структурированный эмбрион, уже содержащий все органы тела.

«Драма разыгрывается в первый месяц, остальные восемь месяцев беременности — в основном просто рост, — говорит Ханна. — Но этот первый месяц по-прежнему во многом "черный ящик". Наша модель человеческого эмбриона, полученная из стволовых клеток, предлагает этичный и доступный способ заглянуть в этот ящик. Она тесно имитирует развитие реального человеческого эмбриона, особенно появление его исключительно тонкой архитектуры».

Позволить модели эмбриона сказать «Вперед!»

Команда Ханны опиралась на предыдущий опыт создания синтетических моделей эмбрионов мыши на основе стволовых клеток. Как и в том исследовании, ученые не использовали оплодотворенные яйцеклетки или матку. Вместо этого они начали с человеческих клеток, известных как плюрипотентные стволовые клетки, которые обладают потенциалом дифференцироваться во многие, но не все типы клеток. Некоторые были получены из взрослых клеток кожи, возвращенных в «стволовое» состояние. Другие были потомками линий человеческих стволовых клеток, культивируемых в лаборатории годами.

Затем исследователи использовали недавно разработанный Ханной метод репрограммирования плюрипотентных стволовых клеток, чтобы отмотать часы еще дальше: вернуть эти клетки в еще более раннее состояние — так называемое наивное состояние, — в котором они способны стать чем угодно, то есть специализироваться в любой тип клеток.

Эта стадия соответствует 7-му дню развития естественного человеческого эмбриона, примерно времени его имплантации в матку. Группа Ханны, фактически, первой начала описывать методы получения человеческих наивных стволовых клеток еще в 2013 году; они продолжали совершенствовать эти методы, лежащие в основе текущего проекта, на протяжении лет.

Ученые разделили клетки на три группы. Клетки, предназначенные для развития в эмбрион, оставили как есть. Клетки в каждой из других групп обрабатывали только химическими веществами, без какой-либо генетической модификации, чтобы включить определенные гены, что должно было заставить эти клетки дифференцироваться в направлении одного из трех типов тканей, необходимых для поддержания эмбриона: плаценты, желточного мешка или внезародышевой мезодермальной мембраны, которая в конечном итоге создает хорионический мешок.

Вскоре после смешивания в оптимизированных, специально разработанных условиях клетки сформировали сгустки, около 1% из которых самоорганизовались в полные эмбрионоподобные структуры.

«Эмбрион по определению самоуправляем; нам не нужно говорить ему, что делать — мы должны только раскрыть его внутренне закодированный потенциал, — говорит Ханна. — Критически важно смешать правильные типы клеток в начале, которые могут быть получены только из наивных стволовых клеток, не имеющих ограничений в развитии. Как только вы это сделаете, сама модель эмбриона говорит: "Вперед!"».

Эмбрионоподобные структуры на основе стволовых клеток (названные SEMs) нормально развивались вне матки в течение 8 дней, достигнув стадии развития, эквивалентной 14-му дню развития человеческого эмбриона. Это точка, в которой естественные эмбрионы приобретают внутренние структуры, позволяющие им перейти к следующей стадии: развитию предшественников органов тела.

Полные модели человеческого эмбриона соответствуют классическим диаграммам по структуре и идентичности клеток

Когда исследователи сравнили внутреннюю организацию своих моделей эмбрионов, полученных из стволовых клеток, с иллюстрациями и микроскопическими срезами в классических атласах по эмбриологии 1960-х годов, они обнаружили поразительное структурное сходство между моделями и естественными человеческими эмбрионами на соответствующей стадии. Каждый отсек и поддерживающая структура были не только на месте, но и имели правильный размер и форму. Даже клетки, вырабатывающие гормон, используемый в тестах на беременность, присутствовали и были активны: когда ученые нанесли секреты этих клеток на коммерческий тест на беременность, результат оказался положительным.

Это означало, что их модели достоверно имитируют процесс, посредством которого ранний эмбрион приобретает все структуры, необходимые для начала превращения в плод.

«Многие неудачи беременности происходят в первые несколько недель, часто еще до того, как женщина узнает, что беременна, — говорит Ханна. — Именно тогда возникают многие врожденные дефекты, хотя обнаруживают их гораздо позже. Наши модели можно использовать для выявления биохимических и механических сигналов, обеспечивающих правильное развитие на этой ранней стадии, и способов, которыми это развитие может пойти не так».

Фактически, исследование уже дало результат, который может открыть новое направление в изучении невынашивания беременности на ранних сроках. Исследователи обнаружили, что если эмбрион не окружен правильно клетками, формирующими плаценту, на 3-й день протокола (соответствует 10-му дню естественного эмбрионального развития), его внутренние структуры, такие как желточный мешок, не развиваются должным образом.

«Эмбрион не статичен. У него должны быть правильные клетки в правильной организации, и он должен уметь прогрессировать — речь идет о бытии и становлении, — говорит Ханна. — Наши полные модели эмбриона помогут исследователям ответить на самые фундаментальные вопросы о том, что определяет его правильный рост».

Этот этический подход к разгадке тайн самых первых стадий эмбрионального развития может открыть множество исследовательских направлений. Он может помочь выявить причины многих врожденных дефектов и видов бесплодия. Также это может привести к новым технологиям выращивания тканей и органов для трансплантации. И это может предложить способ обойти эксперименты, которые нельзя проводить на живых эмбрионах, — например, определение воздействия лекарств или других веществ на развитие плода.