Рецепт жизни млекопитающих прост: взять яйцеклетку, добавить сперматозоид и ждать.
Но две новые работы показывают, что есть и другой путь. При правильных условиях стволовые клетки могут самостоятельно делиться и самоорганизовываться в эмбрион. В исследованиях, опубликованных в Cell и Nature в этом месяце, две группы сообщают, что они выращивали мышиные эмбрионы в искусственных условиях дольше, чем когда-либо прежде. Эмбрионы росли в течение 8,5 дней - достаточно долго, чтобы у них развились отдельные органы - бьющееся сердце, кишечная трубка и даже нервные складки.
Этот процесс далек от совершенства. Только крошечная часть клеток развивает эти черты, а те, что развиваются, не полностью имитируют естественный эмбрион. Но эта работа все равно представляет собой крупное достижение, которое поможет ученым увидеть развитие органов в беспрецедентных деталях. "Это очень, очень интересно", - говорит Цзяньпин Фу, биоинженер из Мичиганского университета.
"Следующей вехой в этой области, скорее всего, станет синтетический человеческий эмбрион на основе стволовых клеток", - говорит он.
Обе исследовательские группы добились успеха, используя схожие методы. Магдалена Зерницка-Гетц, биолог, специализирующаяся на развитии и стволовых клетках, работающая в лабораториях Кембриджского университета (Великобритания) и Калифорнийского технологического института, занимается этой проблемой уже десять лет.
"Мы начали с эмбриональных стволовых клеток", - рассказывает она. "Они могут имитировать ранние стадии развития, но мы не смогли продвинуться дальше". Затем, несколько лет назад, ее команда обнаружила , что при добавлении стволовых клеток, дающих начало плаценте и желточному мешку, эмбрионы развиваются дальше. В прошлом году они продемонстрировали, что могут использовать эту технику для культивирования эмбрионов до 7-го дня жизни. В своей последней работе, опубликованной в журнале Nature, команда Зерницкой-Гетц описывает, как они выращивали эмбрионы еще 1,5 дня.
Группа Зерницкой-Гоец сделала это с помощью методики, разработанной Джейкобом Ханной, биологом по стволовым клеткам из Научного института Вейцмана в Израиле, который также работает над этой проблемой уже много лет. В прошлом году сотрудники Ханны сообщили , что они разработали устройство, которое позволило им культивировать естественные эмбрионы мыши в течение беспрецедентно длительного времени вне матки. Этот инкубатор, в котором эмбрионы находились с 5-го по 11-й день жизни, взял некоторые аспекты предыдущей технологии, в которой эмбрионы находились в стеклянных флаконах, вращающихся в системе, похожей на колесо обозрения, с добавлением системы вентиляции. Система вентиляции контролирует смесь кислорода и углекислого газа, поступающую в флаконы, и давление.
После того, как в прошлом году вышла статья Ханны, его сотрудники поделились частью своего инкубатора с другими биологами, занимающимися вопросами развития и стволовых клеток. "Мы поделились "мозгом" этой машины со всеми, кто просил об этом", - рассказывает он, включая Зерницку-Гетц и ее коллег, которые немного подправили ее для своих экспериментов. В статье, опубликованной в журнале Cell, команда Ханны описывает, как они использовали эту систему для выращивания эмбрионов в течение 8,5 дней. Полный срок беременности у мышей составляет около 20 дней.
Этого периода достаточно, чтобы развились отделы мозга, начало биться сердце, сформировались нервная и кишечная трубки. Эти синтетические эмбрионы очень похожи на естественные эмбрионы, которые формируются, когда сперматозоид мыши встречается с яйцеклеткой, но они "не были идентичны на 100%", говорит Ханна. "Вы сможете увидеть некоторые дефекты и некоторые изменения в размерах органов".
Каждая из групп выращивала свои эмбрионы, комбинируя три различных типа клеток, а группе Ханны также удалось создать все три типа из наивных эмбриональных стволовых клеток. "Это дает возможность упростить процесс", - говорит Ханна. "Вы можете начать все с одной популяции". Группа Зерницкой-Гетц сообщила об аналогичном достижении в препринте, опубликованном на сайте bioRxiv (в своей статье в Nature исследователи использовали для создания эмбрионов клетки-предшественники плаценты из клеточной линии).
Группа Зерницкой-Гетц также провела эксперимент, в котором они нокаутировали ген Pax6, играющий ключевую роль в развитии мозга. Когда они удалили этот ген, головы мышей развивались неправильно, имитируя то, что происходит в естественных эмбрионах, у которых отсутствует этот ген. Результат демонстрирует, "что система действительно функциональна", - утверждает Зерницка-Гетц. "Эти две работы усиливают друг друга", - считает Мартин Пера, биолог по стволовым клеткам из Центра точной генетики лаборатории Джексона в Бар-Харборе. "Две очень квалифицированные группы могут получить довольно схожие результаты независимо друг от друга".
Для исследователей эти синтетические модели имеют много преимуществ перед естественными эмбрионами, созданными из яйцеклеток и спермы. Поскольку они растут вне матки, их гораздо легче наблюдать. Кроме того, ими легче манипулировать с помощью инструментов редактирования генома. "Мы можем нарушить, мы можем манипулировать, мы можем нокаутировать все возможные гены мыши или человека, - комментирует Фу. "Это может сделать их полезными для выявления роли различных генов во врожденных дефектах или нарушениях развития". Зерницка-Гетц планирует использовать эту модель, чтобы понять, почему беременность не наступает.
Ханна рассчитывает использовать этот метод для создания человеческих синтетических эмбрионов, которые могут стать источником новых органов и тканей для людей, нуждающихся в них. Но реализовать эту работу на людях будет нелегко. Исследователи заставили стволовые клетки человека стать бластоцистами и даже имитировать некоторые аспекты гаструляции - когда ранний эмбрион организуется в отдельные слои, состоящие из различных типов клеток. Но достижение стадии формирования органов в человеческих клетках, которая происходит примерно через месяц после оплодотворения, представляет собой серьезную техническую проблему. Тем не менее, Али Бриванлоу, биолог, изучающий развитие в Университете Рокфеллера в Нью-Йорке, настроен оптимистично. "Это уже не за горами".
И чем более совершенными становятся эти эмбрионы, тем больше этических проблем. Один из ключевых вопросов заключается в том, следует ли считать эти синтетические структуры эмбрионами, что является предметом дебатов в данной области. Международное общество по исследованию стволовых клеток уже давно не рекомендует культивировать человеческие эмбрионы до 14-го дня (эквивалентного 6-му дню у мыши) - примерно тогда, когда появляется "примитивный стебель", структура, знаменующая начало гаструляции. В 2021 году общество сняло это ограничение и выпустило руководство, в котором говорится, что такие исследования должны иметь убедительное научное обоснование и использовать минимальное количество эмбрионов, необходимое для достижения научной цели.
Тем не менее, Пера считает необходимым продолжать разговор об этике таких моделей. Исследователи уже много лет работают над моделями человеческих эмбрионов без особого противодействия. Но он опасается возникновения дальнейшей реакции, когда исследователи начнут разрабатывать модели человеческих эмбрионов, у которых начнут развиваться органы. "Реакция на это может поставить под угрозу всю эту область исследований", - говорит он. "Важно, чтобы люди знали, что предлагается, и чтобы это делалось на основе некоего этического консенсуса", - добавляет Пера. "Мы должны действовать осторожно".
