Создание синтетических эмбрионов для изучения ранних стадий жизни
Чтобы преодолеть этические ограничения, связанные с работой с человеческими и животными эмбрионами, учёные создают синтетические эмбрионы из стволовых клеток. Основная задача — получить все типы клеток, присутствующие в раннем эмбрионе до его имплантации в стенку матки, включая предшественников плаценты и амниотического мешка. Дефекты этих структур — главная причина ранних выкидышей.
Группа учёных из Gladstone Institutes, Центра iPS-клеточных исследований и применения (CiRA) Университета Киото и Центра биодинамических систем RIKEN (Кобе, Япония) продемонстрировала наличие клеток-предшественников плаценты и амниотического мешка в синтетических эмбрионах, созданных из мышиных стволовых клеток.
«Наши данные убедительно свидетельствуют, что наша система — хорошая модель для изучения ранних, преимплантационных стадий развития эмбриона», — говорит Киичиро Томода, первый автор исследования, опубликованного в журнале Stem Cell Reports.
Эта модель позволит изучить молекулярные события и сигналы, которые клетки посылают друг другу на ранних этапах. В конечном итоге это может помочь в разработке стратегий для снижения бесплодия, вызванного нарушениями раннего эмбрионального развития.
Изучение тотипотентности
Исследование также может пролить свет на тотипотентность — уникальную и кратковременную способность самых ранних эмбриональных клеток давать начало всем типам клеток организма. Воспроизвести это свойство в лаборатории сложнее, чем плюрипотентность (способность давать начало нескольким, но не всем типам клеток).
«Очень захватывающая перспектива нашей работы — понять, как мы можем перепрограммировать клетки в лаборатории для достижения тотипотентности», — говорит старший автор исследования Коди Кайм.
Методология: от плюрипотентных клеток к синтетическим эмбрионам
Учёные начали с мышиных плюрипотентных стволовых клеток эпибласта, которые в норме дают начало только плоду, но не плаценте или амниотическому мешку. Используя ранее открытую комбинацию питательных веществ и химических веществ, они заставили эти клетки собираться в структуры, напоминающие преимплантационные эмбрионы.
Для молекулярного анализа процесса перепрограммирования был использован метод секвенирования РНК единичных клеток. Анализ тысяч индивидуальных клеток после 5 дней перепрограммирования показал, что некоторые из них близко напоминают предшественников всех трёх ключевых тканей: плода, плаценты и амниотического мешка.
При дальнейшем выращивании в лаборатории эти три типа клеток демонстрировали всё более отчётливые молекулярные профили, поразительно похожие на профили клеток реальных эмбрионов.
«Наш анализ подтверждает появление в нашей синтетической системе тех типов клеток, которые ведут к трём фундаментальным компонентам раннего млекопитающегощего эмбриона, и с удивительной детальностью раскрывает гены и биологические пути, вовлечённые в их развитие», — отмечает Коди Кайм.
Перспективы
Сейчас учёные планируют повысить эффективность процесса перепрограммирования, чтобы надежно производить большое количество синтетических эмбрионов для дальнейших исследований. Это откроет возможность для ранее немыслимых экспериментов, например, масштабного скрининга мутаций, нарушающих развитие ранних эмбрионов.
Также они намерены детальнее изучить молекулярные этапы перепрограммирования, особенно на сроках ранее 5 дней, чтобы идентифицировать по-настоящему тотипотентные клетки — исходную точку для их синтетических эмбрионов.
«Наш метод создания синтетических эмбрионов проще других и достаточно эффективен. Мы считаем, что он станет отличным ресурсом для многих лабораторий», — заключает Киичиро Томода.