Модель синтетического эмбриона мыши с мозгом и бьющимся сердцем создана из стволовых клеток
Исследователи из Кембриджского университета и Калтеха создали модель эмбриона мыши из стволовых клеток — главных клеток организма, способных развиться почти в любой тип клеток. У модели есть бьющееся сердце, зачатки мозга и основы всех других органов мыши.
Результаты стали кульминацией более чем десятилетних исследований. Они могут помочь понять, почему одни эмбрионы гибнут, а другие развиваются в плод при здоровой беременности. Кроме того, результаты могут быть использованы для разработки синтетических человеческих органов для трансплантации.
Исследование проводилось в лаборатории Магдалены Зерницкой-Гёц, профессора биологии и биоинженерии в Калтехе. Работа опубликована в журнале Nature 25 августа.
Модель эмбриона была выращена без яйцеклеток и сперматозоидов. Вместо этого учёные воспроизвели естественные процессы в лаборатории, направив три типа стволовых клеток, присутствующих на ранних стадиях развития млекопитающих, к точке, где они начинают взаимодействовать. Индуцируя экспрессию определённого набора генов и создав уникальную среду для взаимодействий, исследователи заставили стволовые клетки «общаться» друг с другом.
Стволовые клетки самоорганизовались в структуры, которые прошли последовательные стадии развития, пока у синтетических эмбрионов не появились бьющееся сердце, зачатки мозга и желточный мешок, в котором эмбрион развивается и из которого получает питательные вещества в первые недели. Это самая продвинутая стадия развития, достигнутая на сегодняшний день в модели, полученной из стволовых клеток.
Ключевым достижением в этом исследовании стала возможность сгенерировать весь мозг, в частности передний отдел, что было «святым Граалем» в разработке синтетических эмбрионов.
«Это открывает новые возможности для изучения механизмов нейроразвития в экспериментальной модели», — говорит Зерницка-Гёц. В работе исследователи продемонстрировали этот принцип, «выключив» ген, известный своей важностью для формирования нервной трубки — предшественника нервной системы, а также для развития мозга и глаз. В отсутствие этого гена синтетические эмбрионы показали точно такие же дефекты в развитии мозга, как и у животного с этой мутацией.
«Наша модель эмбриона мыши развивает не только мозг, но и бьющееся сердце, все компоненты, из которых состоит тело. Это невероятно, что мы зашли так далеко», — объясняет она.
Для успешного развития человеческого эмбриона необходим «диалог» между тканями, которые станут эмбрионом, и тканями, которые свяжут эмбрион с матерью. В первую неделю после оплодотворения развиваются три типа стволовых клеток: один в итоге станет тканями тела, а два других будут поддерживать развитие эмбриона. Один из этих двух типов, известный как внеэмбриональные стволовые клетки, станет плацентой. Другой — желточным мешком.
Многие беременности прерываются как раз в тот момент, когда три типа стволовых клеток начинают посылать друг другу механические и химические сигналы, которые говорят эмбриону, как правильно развиваться.
«Этот ранний период — основа всего последующего развития при беременности. Если что-то пойдёт не так, беременность прервётся», — говорит Зерницка-Гёц.
Модель эмбриона из стволовых клеток важна, потому что даёт доступ к развивающейся структуре на стадии, которая обычно скрыта из-за имплантации крошечного эмбриона в матку матери. «Эта доступность позволяет нам манипулировать генами, чтобы понять их роль в развитии в модельной экспериментальной системе».
Чтобы направить развитие своего синтетического эмбриона, исследователи объединили культивированные стволовые клетки, представляющие каждый из трёх типов тканей, в пропорциях и среде, способствующих их росту и общению друг с другом, что привело к их самоорганизации в эмбрион.
Исследователи обнаружили, что внеэмбриональные клетки посылают сигналы эмбриональным клеткам не только химически, но и механически, через прикосновение, направляя развитие эмбриона.
Хотя текущее исследование проводилось на моделях мышей, учёные разрабатывают аналогичную модель для изучения развития эмбриона человека, чтобы понять механизмы ключевых процессов, которые иначе невозможно изучить в реальных эмбрионах.
Если в будущем эти методы окажутся успешными с человеческими стволовыми клетками, их также можно будет использовать для разработки синтетических органов для пациентов, ожидающих трансплантации. «Знание, полученное в результате этой работы, можно будет использовать для выращивания правильных синтетических человеческих органов, чтобы спасать жизни», — говорит Зерницка-Гёц.