биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Это не сказка и даже не сон – две недели in vitro живет эмбрион!

[8 июня, 2016 г.]

Смотрели ли вы фильм «Матрица»? А может быть, читали «О дивный новый мир» Олдоса Хаксли? Помните о тех необычных методиках выращивания людей, которые там описаны? Начиная со стадии эмбриона, человека растили в специальном инкубаторе, не используя при этом материнский организм. Удивительно, но благодаря последним научным открытиям, художественный вымысел не кажется таким уж фантастическим. По крайней мере, первые шаги в этом направлении уже сделаны: биологи научились культивировать человеческий эмбрион в лабораторных условиях вплоть до 14 дня его развития!

До сих пор ранние стадии развития человека в утробе матери оставались скрытыми от глаз ученых, но усовершенствованные методы культивирования эмбрионов на стадии бластоцисты вне матки обещают облегчить шаги в этом направлении исследований. Эмбриологам из США и Великобритании удалось вырастить человеческие эмбрионы в лабораторных условиях до 13 дня развития после оплодотворения, побив предыдущий рекорд в 9 дней [1, 2]. Новое достижение уже позволило ученым обнаружить такие аспекты раннего развития человека, которые до этого были неизвестны. А метод, предложенный ими, поможет определить, почему в некоторых случаях беременность может самопроизвольно прерываться.

Что мы знали об эмбриональном развитии раньше...

Бластоциста на шестой день после оплодотворения

Рисунок 1. Трехмерное изображение передней половины бластоцисты на шестой день после оплодотворения. Рисунок из [1].

В целом, изучение раннего развития человеческих эмбрионов — задача непростая: не так много материала доступно для исследований, на которые, в свою очередь, налагается множество этических и правовых ограничений. Однако знание и понимание механизмов развития плода крайне важны для: а) улучшения репродуктивных технологий; б) совершенствования культур стволовых клеток, необходимых для регенеративной медицины; в) изучения раннего самопроизвольного прерывания беременности. Сообщается, что человеческие эмбрионы, полученные путем экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) [3, 4], могут самоорганизовываться в чашке Петри, формируя основные клеточные линии плода и его соединительные ткани. Это первый шаг на пути понимания и более четкого представления о начале человеческой жизни [5].

У млекопитающих, в том числе и у человека, оплодотворенная яйцеклетка в первые дни развития претерпевает ряд клеточных делений, что приводит к формированию бластоцисты (рис. 1). Именно в этот момент клетка принимает первые «решения» о том, какой клеточной линии она даст начало. Клеточная линия эпибласт формирует единый плод, в то время как две другие клеточные линии берут на себя ответственность за продуцирование неэмбриональных тканей: вначале — трофэктодермы, а затем — примитивной энтодермы (рис. 2). Трофэктодерма дает начало клеткам, которые образуют бόльшую часть плаценты, тогда как примитивная энтодерма формирует несколько слоев желточного мешка — зародышевого органа, который необходим для раннего кровоснабжения плода. Механизмы, лежащие в основе специализации клеточных линий бластоцисты, хорошо изучены у мышей, и считалось, что эти пути эволюционно консервативны для разных видов млекопитающих.

Однако это представление в свете новых знаний трансформировалось. Многие из генов, которые регулируют решения о клеточной дифференцировке в эмбрионах мышей, экспрессируются и в человеческих эмбрионах. Однако время начала и остановки каскада реакций, регулирующих их экспрессию, различается у разных видов. Бластоцисты имплантируются в слизистую оболочку матки мышей всего через пять дней после оплодотворения, тогда как у людей имплантация происходит на два дня позже. Этот период очень важен, поскольку именно тогда клетки трофэктодермы начинают взаимодействовать с маткой, и эмбрион совершает, пожалуй, самый важный шаг в своем развитии — переходит на стадию гаструляции. В этот момент так называемая первичная (примитивная) полоска — клеточная масса, продуцируемая эпибластом, — дает начало трем зародышевым листкам, которые в итоге формируют все ткани будущего организма.

Развитие человеческого эмбриона

Рисунок 2. Развитие человеческого эмбриона в естественных условиях и in vitro. Во время раннего эмбрионального развития человека клетки образуют структуру, называемую бластоцистой. Бластоциста состоит из трех клеточных линий: эпибласта, формирующего сам плод, а также трофэктодермы и примитивной энтодермы, поддерживающих его рост. В естественных условиях (слева) примерно через 12 дней после оплодотворения бластоцисты имплантируются в матку и претерпевают дифференцировку клеток. Эпибласт формирует амниотическую полость и клеточную массу, называемую примитивной полоской (primitive streak), которая будет производить три основных слоя тканей организма. Клетки, полученные из примитивной энтодермы, образуют желток, который участвует в кровоснабжении плода. Клетки трофэктодермы образуют внешние структуры. Аналогичные структуры и полости образуются и у эмбрионов, выращенных in vitro (справа), хотя их пространственное распределение несколько отличается от такового у «естественных» эмбрионов. Метод выращивания человеческих эмбрионов in vitro позволил наблюдать неизвестный ранее тип клеток, происхождение которых пока остается неясным. Рисунок из [5].

У мышей было показано, что образование первичной полоски инициируют сигналы от примитивной энтодермы и трофэктодермы, тогда как у людей этот период развития был совершенно не изучен и представлялся этаким «черным ящиком». Было известно только, что существуют значительные различия между тем, как имплантируются в матку зародыши приматов и мышей. В частности, эпибласт мыши образует чашевидную структуру, на одной стороне которой формируются примитивная полоска и амниотическая складка (позже она превращается в плодный пузырь, заполненный жидкостью). В противоположность этому, эпибласт приматов вначале образует центральную амниотическую полость и только затем уплощается, чтобы сформировать диск, на одном из концов которого возникнет примитивная полоска. Поэтому стало очевидным, что между видами существуют определенные различия во взаимоотношениях клеточных линий и что разработка стратегии культивирования человеческих эмбрионов in vitro на ранней стадии постимплантационного периода улучшит наше понимание этих различий.

...и что знаем теперь

Группе американских и британских исследователей удалось вырастить вне матки человеческие эмбрионы, полученные путем ЭКО, до стадии, эквивалентной 13-му дню после оплодотворения в естественных условиях. Для достижения такого результата они использовали систему культивирования эмбрионов мышей, но с улучшенной культуральной средой и более оптимальным субстратом для прикрепления эмбриона. В таких условиях бластоцисты прикреплялись к чашке, трофэктодерма расширялась и демонстрировала признаки дифференциации в специализированные плацентарные типы клеток, а примитивная энтодерма отделялась от эпибласта. Было обнаружено, что небольшая центральная полость развилась в эпибласт. Это напоминает формирование амниотической полости у макак-резусов, хотя без надежных молекулярных маркеров амниотической ткани нельзя подтвердить стопроцентную идентичность событий.

Также наблюдали формирование второй полости в растущей примитивной энтодерме, которая предположительно является полостью желточного мешка. Сообщается, что клетки, выстилающие эту полость, экспрессировали гены, характерные для клеток трофэктодермального происхождения. Авторы предположили, что это некий новый вид клеток, и назвали его трофэктодермой желточного мешка. Однако при анатомическом описании возникло предположение, что эти клетки получены всё же из примитивной энтодермы и просто демонстрируют профиль экспрессии генов, отличный от мышиного. После 12-го дня культивирования эмбриона происходил коллапс полости и начиналось неорганизованное развитие, хотя дифференциация трофэктодермы продолжалась.

Несмотря на то, что эти исследования представляют собой важные шаги в сторону ясного понимания биологии развития человека во время имплантационного периода, существует ряд ограничений, которые еще предстоит преодолеть. Проблемой представляется и то, что культивируемые эмбрионы в основном плоские, двумерные, поэтому являются явно несовершенными моделями нормального, 3D, эмбрионального развития. Кроме того, однозначно идентифицировать типы клеток, полостей и структур в культурах пока довольно сложно.

Разработанный метод культивирования эмбрионов может помочь в изучении роли сигнальных молекул неэмбриональных тканей в формировании эпибласта. Путем сопоставления полученных результатов и профиля сигнальных молекул, обнаруженных в культуре эмбриональных стволовых клеток (они имитируют события гаструляции), можно лучше понять, как стимулировать стволовые клетки дифференцироваться в другие типы клеток — например обладающие терапевтическим потенциалом. Крайне информативной должна стать 3D-система культивирования бластоциста, над разработкой которой еще предстоит потрудиться. Если топологические отношения между разными типами клеток в таких 3D-культурах будут нормальными, система предположительно позволит наблюдать гаструляцию в лабораторных условиях. Однако в настоящее время работа с человеческой эмбриональной культурой ограничена международным соглашением: работу необходимо прервать либо по истечении 14 дней роста эмбриона, либо в начале формирования примитивной полоски — в зависимости от того, какой этап наступит раньше. Интересно, будет ли изменено это правило, если удастся осуществлять нормальную гаструляцию в лабораторных условиях?

Усовершенствованные и более долгоживущие культуры могли бы обеспечить человечество важной информацией о биологии развития, повысить эффективность такой процедуры, как ЭКО, и привести к лучшему пониманию дифференцировки стволовых клеток. Тем не менее разработка таких систем культивирования эмбрионов in vitro вновь поднимает вопрос о том, как и на каких сроках стόит применять этические нормы и ограничения.

Литература

  1. Deglincerti A., Croft G.F., Pietila L.N., Zernicka-Goetz M., Siggia E.D., Brivanlou A.H. (2016). Self-organization of the in vitro attached human embryo. Nature. 533, 251–254;
  2. Shahbazi M.N., Jedrusik A., Vuoristo S., Recher G., Hupalowska A., Bolton V. et al. (2016). Self-organisation of the human embryo in the absence of maternal tissues. Nat. Cell Biol18, 700–708;
  3. биомолекула: «„За экстракорпоральное оплодотворение“ — это не тост, а Нобелевская премия!»;
  4. биомолекула: «Дети из пробирки»;
  5. Rossant J. (2016). Human embryology: implantation barrier overcome. Nature. 533, 182–183.

Автор: Горяйнова Оксана.

Число просмотров: 640.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.