Модель, похожая на человеческий эмбрион, создана из стволовых клеток человека

Ученые из Кембриджского университета совместно с Институтом Хубрехта в Нидерландах разработали новую модель для изучения ранней стадии развития человека, используя человеческие эмбриональные стволовые клетки. Модель напоминает некоторые ключевые элементы эмбриона возрастом примерно 18–21 день и позволяет наблюдать процессы, лежащие в основе формирования плана тела человека, которые ранее никогда не наблюдались напрямую. Понимание этих процессов может раскрыть причины врожденных дефектов и заболеваний, а также разработать тесты для их выявления у беременных женщин.

План тела, или «чертеж» организма, возникает в процессе, называемом гаструляцией. Во время гаструляции в эмбрионе формируются три отдельных слоя клеток, которые позже дадут начало всем основным системам организма: эктодерма образует нервную систему, мезодерма — мышцы, а энтодерма — кишечник.

Гаструляцию часто называют «периодом черного ящика» в развитии человека, потому что правовые ограничения не позволяют культивировать человеческие эмбрионы в лаборатории после 14-го дня, когда этот процесс начинается. Этот предел установлен на стадии, когда эмбрион уже не может образовать двойню.

Многие врожденные дефекты возникают именно в этот «период черного ящика», а их причинами могут быть алкоголь, лекарства, химические вещества и инфекции. Лучшее понимание человеческой гаструляции также может пролить свет на многие медицинские проблемы, включая бесплодие, выкидыш и генетические нарушения.

«Наша модель воспроизводит часть чертежа человека, — сказал профессор Альфонсо Мартинес-Ариас из Департамента генетики Кембриджского университета, руководивший исследованием. — Это захватывающе — наблюдать процессы развития, которые до сих пор были скрыты от взгляда и от изучения».

В отчете, опубликованном сегодня в журнале Nature, описан метод использования человеческих эмбриональных стволовых клеток для создания трехмерных скоплений клеток, называемых гаструлоидами. Они дифференцируются в три слоя, организованные таким образом, что напоминают ранний план тела человека.

Чтобы создать гаструлоиды в лаборатории, определенное количество человеческих эмбриональных стволовых клеток помещали в маленькие лунки, где они образовывали плотные агрегаты. После обработки химическими сигналами гаструлоиды начали удлиняться вдоль оси «голова-хвост», известной как антеропостериорная ось, и активировали гены в определенных паттернах вдоль этой оси, отражающих элементы плана тела млекопитающего.

Модельные организмы, включая мышей и рыбок данио, ранее позволили ученым получить некоторое представление о гаструляции человека. Однако эти модели могут вести себя иначе, чем человеческие эмбрионы, когда клетки начинают дифференцироваться. Животные модели могут по-разному реагировать на определенные лекарства: например, препарат от утренней тошноты талидомид прошел клинические испытания после тестирования на мышах, но впоследствии привел к тяжелым врожденным дефектам у людей. По этой причине важно разрабатывать более совершенные модели развития человека.

Гаструлоиды не обладают потенциалом для развития в полностью сформированный эмбрион. У них нет клеток мозга или каких-либо тканей, необходимых для имплантации в матку. Это означает, что они никогда не смогут прогрессировать за пределы самых ранних стадий развития и, следовательно, соответствуют современным этическим стандартам.

Изучив, какие гены экспрессировались в этих человеческих гаструлоидах через 72 часа развития, исследователи обнаружили четкую сигнатуру события, которое дает начало важным структурам тела, таким как грудные мышцы, кости и хрящи, но при этом клетки мозга не развиваются.

Исследователи определили эквивалентный возраст человеческого эмбриона для гаструлоидов, сравнив их с Коллекцией эмбриологии Карнеги. Эта официальная коллекция содержит непрерывный ряд человеческих эмбрионов, включая ежедневный рост в течение первых восьми недель. Они предполагают, что гаструлоиды частично напоминают человеческие эмбрионы возрастом 18–21 день.

«Это невероятно захватывающая новая модель, которая впервые позволит нам изучать и исследовать процессы раннего эмбрионального развития человека в лаборатории, — сказала доктор Наоми Морис из Департамента генетики Кембриджского университета, первый автор отчета. — Наша система — это первый шаг к моделированию появления плана тела человека, и она может оказаться полезной для изучения того, что происходит, когда что-то идет не так, например, при врожденных дефектах».