Новый метод выращивания и наблюдения за ранними эмбрионами в лаборатории

Неудача имплантации — процесса прикрепления раннего эмбриона к стенке матки — одна из самых частых причин бесплодия. Однако, несмотря на критическую важность, имплантацию и вызываемые ею изменения в эмбрионе крайне сложно изучать.

Исследователи из EMBL предложили новый метод выращивания ранних эмбрионов в лаборатории. Используя 3D-культуру, учёные могут внимательно наблюдать за изменениями эмбриона вокруг момента имплантации. Исследование стало результатом сотрудничества групп под руководством ASHBi PI Такаши Хиираги и лидеров групп EMBL Анны Эрцбергер и Анны Крешук.

"Имплантация — это ключевой этап развития для млекопитающих, — сказал Такафуми Итикава, один из первых авторов исследования, опубликованного в Developmental Cell. — Однако с ранее существовавшими методами изучение периимплантационного развития эмбриона было сложной задачей".

Многие из этих ранних методов выращивали эмбрионы на плоских поверхностях в двумерных культурах. Исследователи предположили, что это может вызывать аномальное распластывание клеток эмбриона и нарушать процесс морфогенеза — формирования тканей. Чтобы избежать этого, они решили создать 3D-систему культивирования, более точно имитирующую условия in vivo.

Для этого исследователи собрали эмбрионы мыши через четыре с половиной дня после оплодотворения и поместили их в 3D-гелевую матрицу. В этой матрице эмбрионы могли расти до 48 часов, следуя траектории развития, близкой к in vivo. Благодаря сотрудничеству с бывшим лидером группы EMBL Ларсом Хуфнагелем и группой Крешук, исследователи также интегрировали систему культивирования с передовой светлопольной микроскопией и протоколами анализа изображений на основе машинного обучения. Это позволило им отслеживать развитие эмбриона в реальном времени и проводить детальный количественный анализ, невозможный ранее.

"Обычный ручной анализ изображений требует невероятно трудоёмкой и затратной по времени работы, — сказала Хуэй Тинг Чжан, аспирант группы Хиираги и соавтор статьи. — Наш метод позволяет обрабатывать гораздо больший объём данных без потери разрешения".

Сотрудничая с группой Эрцбергер, исследователи использовали эти данные, чтобы получить важные сведения о биофизических аспектах развития. В частности, эта модель позволила детально изучить взаимодействия между слоями тканей, из которых формируется собственно эмбрион, и слоями, лежащими вне эмбриона и поддерживающими его рост. Механическое взаимодействие между такими эмбриональными и внеэмбриональными тканями оказалось критически важным для формирования просвета (полости, заполненной жидкостью) внутри эмбриона, который в конечном итоге даёт начало амниотическому мешку.

"Система позволила нам исследовать важность правильно сформированной границы между эмбриональными и внеэмбриональными тканями для формирования просвета, — сказала Эрцбергер. — Возможность визуализации в реальном времени в этой ex vivo системе означала, что мы могли наблюдать динамику формирования просвета".

Исследователи планируют продолжать совершенствовать свою модель и применять её для изучения ранних путей развития эмбрионов млекопитающих. "Чем лучше наше понимание процесса имплантации, тем больше знаний мы сможем применить в биомедицинском контексте, в конечном итоге для решения таких актуальных проблем, как бесплодие", — сказала Чжан.