Модель стволовых клеток воспроизводит развитие человеческого амниотического мешка после двух недель

Исследователи из Института Фрэнсиса Крика разработали новую модель из стволовых клеток, которая воспроизводит развитие зрелого человеческого амниотического мешка с 2-й по 4-ю неделю после оплодотворения. Это первая модель развития амниотического мешка после двух недель.

Как описано в исследовании, опубликованном в Cell, новая модель может использоваться для изучения происхождения и функции человеческого амниона и поможет выявить ранее неизвестные способы поддержки эмбрионального развития. Она также перспективна для медицинских процедур с использованием амниотической мембраны.

Амнион — это защитная оболочка, которая образует мешок с амниотической жидкостью. До недавнего времени считалось, что его основная роль — защита и амортизация эмбриона, а также передача питательных веществ до формирования плаценты.

Изучение амниона было затруднено, так как современные модели эмбрионов из стволовых клеток обычно не воспроизводят более поздние стадии развития, а по этическим причинам человеческие эмбрионы нельзя изучать после 14 дней.

Воспроизведение амниотического мешка

Команда создала новую 3D-модель — пост-гаструляционный амниоид (PGA), — которая близко напоминает человеческий амнион и другие поддерживающие ткани после гаструляции (когда клетки эмбриона организуются в слои, формирующие ткани и органы).

Для этого они культивировали человеческие эмбриональные стволовые клетки в серии шагов всего с двумя химическими сигналами в течение 48 часов, после чего клетки самоорганизовались во внутренний и внешний слои амниона.

Мешковидная структура сформировалась к 10-му дню в более чем 90% PGA. Эти структуры постепенно увеличивались в размере в течение 90 дней без дополнительных сигналов. Клеточный состав в моделях показал замечательное сходство с человеческим амниотическим мешком, а жидкость внутри PGA имитировала содержимое человеческой амниотической жидкости.

Взаимодействие между амнионом и эмбрионом

Используя методы генетических манипуляций, исследователи обнаружили, что фактор транскрипции GATA3 вызывает нарушение роста амниотической ткани, если его "выключить" в PGA.

И наоборот, когда они усилили экспрессию GATA3 в эмбриональных стволовых клетках, клетки развили структуру, похожую на амниотический мешок, без каких-либо других сигналов. Эти эксперименты показали, что GATA3 необходим для запуска развития амниона.

Наконец, команда проверила, могут ли амниотические ткани помогать развитию и специализации эмбриональных клеток, а не просто защищать их. Смешав клетки PGA с необработанными эмбриональными стволовыми клетками, они увидели, что необработанные клетки развили структуры, похожие на амниотический мешок. Это показывает, что сигналы от амниона действительно могут взаимодействовать с эмбриональными клетками.

Новый подход для медицинских процедур

Благодаря своим регенеративным, противовоспалительным и антимикробным свойствам, мембрана амниотического мешка может донорски использоваться в медицинских процедурах, таких как реконструкция роговицы глаза, восстановление слизистой оболочки матки или лечение ожогов и язв.

Поскольку трансплантируемая ткань зависит от доноров, команда считает, что PGA могут стать альтернативным источником амниотических мембран, которые можно будет выращивать даже из собственных клеток пациента.

Исследователи сейчас работают с командой по трансляционным исследованиям в Институте Крика, чтобы изучить потенциал использования PGA в клинике, а также глубже понять коммуникацию между амниотическим мешком и эмбриональными клетками.

Изменение взгляда на амнион

Сильвия Сантос, руководитель группы лаборатории количественной биологии стволовых клеток в Институте Крика и старший автор, сказала: "Раннее развитие человека всё ещё остаётся "чёрным ящиком" из-за этических и технических ограничений, но наша новая модель даёт некоторую видимость в этот критический период, без необходимости использовать человеческие эмбрионы. Эта работа меняет наш взгляд на амнион как просто на защитную структуру: он активно общается с эмбрионом и способствует его росту. Мы также воодушевлены потенциалом PGA как быстрого, дешёвого и масштабируемого способа получения амниотических мембран для медицинского использования".

Борзо Гхариби, ведущий научный сотрудник лаборатории и первый автор, добавил: "Мы изначально исследовали, как эмбриональные клетки формируют свою идентичность, и наше исследование приняло очень интересный оборот, приведя к разработке PGA. Эта модель впервые воспроизводит зрелый человеческий амнион, тесно имитируя структурные и функциональные черты человеческого амниотического мешка с высокой воспроизводимостью. Это даёт исследователям инструмент для изучения более поздних стадий развития человека и функций тканей, поддерживающих эмбрион".

Проект стал возможен благодаря тесному сотрудничеству с командами по геномике, метаболомике и протеомике в Институте Крика.