Эмбриональное развитие в чашке Петри: 3D-метод культивирования клеток может заменить мышиные эмбрионы
Исследовательская группа из Берлина, выращивая мышиные стволовые клетки в специальном геле, создала структуры, похожие на части эмбриона. Эти стволоподобные структуры развивают из клеточных сгустков за пять дней предшественников нервной, костной, хрящевой и мышечной тканей. Это может позволить в будущем эффективнее и в масштабах, невозможных на живых организмах, исследовать действие фармакологических агентов. Результаты опубликованы в журнале Science.
Команде из Института молекулярной генетики Макса Планка (MPIMG) впервые удалось воспроизвести в культуре клеток центральную фазу эмбрионального развития, вырастив основную часть ствола тела из эмбриональных стволовых клеток мыши. Метод воссоздаёт в чашке Петри ранние процессы формообразования эмбриогенеза.
Структуры размером примерно в миллиметр обладают нервной трубкой, из которой развился бы спинной мозг, а также сомитами — предшественниками скелета, хрящей и мышц. Некоторые структуры развивают даже зачатки внутренних органов, например, кишечника. Через примерно пять дней параллели с нормальным развитием заканчиваются.
«Эта модель эмбрионального развития открывает новую эру, — говорит Бернхард Г. Херрманн, директор MPIMG. — Это позволяет нам наблюдать эмбриогенез мыши напрямую, непрерывно и на большом количестве параллельных образцов, что было бы невозможно на животном».
«Мы можем получать более детальные результаты быстрее и без необходимости в исследованиях на животных, — добавляет Александр Майснер, также директор MPIMG и соавтор исследования. — О более сложных процессах, таких как морфогенез, мы обычно получаем лишь моментальные снимки, но с нашей моделью это меняется».
Гель обеспечивает поддержку и пространственную ориентацию
До сих пор удавалось выращивать лишь клеточные скопления — гаструлоиды. «Клеточные сборки в гаструлоидах развиваются примерно так же, как в наших стволоподобных структурах, но они не принимают типичный вид эмбриона, — говорит Джесси Винвлит, один из ведущих авторов. — Им не хватает сигналов, запускающих их организацию в осмысленное расположение».
В культуре клеток необходимый сигнал генерируется специальным гелем, имитирующим свойства внеклеточного матрикса. «Гель обеспечивает поддержку культивируемым клеткам и ориентирует их в пространстве; они могут отличать внутреннее от внешнего, — объясняет Винвлит. — Он также предотвращает утечку секретируемых молекул, таких как белок матрикса фибронектин, в питательную среду. Клетки устанавливают лучшую коммуникацию, что приводит к лучшей самоорганизации».
Клетки со свойствами, аналогичными эмбриональным
Через четыре-пять дней команда растворила структуры на отдельные клетки и проанализировала их по одной. «Даже несмотря на то, что не все типы клеток присутствуют в стволоподобных структурах, они поразительно похожи на эмбрион того же возраста», — говорит Адриано Болонди, также ведущий автор.
Вместе с биоинформатиком Хеленой Кретцмер авторы сравнили генетическую активность структур с реальными мышиными эмбрионами. «Мы обнаружили, что все основные маркерные гены активировались в нужное время в нужных местах в эмбриоидах, и лишь небольшое число генов выбивалось из строя», — отмечает Болонди.
Исследователи также ввели в свою модель мутацию с известным влиянием на развитие и смогли воспроизвести результаты «реальных» эмбрионов, дополнительно подтвердив валидность модели. Они также продемонстрировали примеры манипуляции процессом развития с помощью химических агентов.