В тихом кабинете на верхнем этаже здания Университета Осаки в Японии Кацухико Хаяси готовит революцию.
Он ведет многолетнюю работу по выращиванию яйцеклеток и сперматозоидов в лаборатории. Хаяси хочет понять фундаментальную биологию этих репродуктивных клеток. Но, если ему это удастся, это может навсегда изменить способ размножения людей. Даже для ученого, известного своим исключительным упорством, это был трудный путь - Хаяси делал необычные вещи: в его лаборатории были выращены фрагменты искусственных яичников и семенников и получены мыши с двумя отцами и без матери.
Каждая публикуемая им статья приносит электронные письма от людей, которые просят помочь им с зачатием. “Я говорю им, что это все еще эксперимент”, - рассказывает Хаяси. “Но иногда я не могу ответить. Их слишком много”. Работа, которую проводят Хаяси и другие специалисты в этой области, может дать новую надежду людям, борющимся с бесплодием, но несмотря на ошеломляющие результаты, достигнутые исследователями на грызунах, это будущее остается далеким. “Технология очень крутая”, - говорит Кристиан Крамм, главный научный сотрудник Gameto, биотехнологической компании (США), специализирующейся на бесплодии. “Но, в действительности, я не верю, что в мире найдется хоть один человек, который попытается внедрить ее в клиническую практику в следующем десятилетии”.
Однако существует множество промежуточных целей,к которым должны стремиться исследователи. Фармацевтические компании и регулирующие органы надеются, что обильный запас человеческих гамет — собирательного термина, обозначающего яйцеклетки и сперматозоиды — облегчит проверку того, могут ли лекарства и другие соединения снижать фертильность или вызывать мутации, которые могут передаваться следующему поколению, говорит Инна Добрински, репродуктивный биолог из Университета Нью-Йорка. Азим Сурани, биолог-эволюционист из Кембриджского университета, Великобритания, говорит, что изучение того, как в лабораторных условиях происходит развитие человека, может помочь выявить причины бесплодия. “Это будет величайший результат этих исследований”, - уверен он. “Как только вы поймете, что вызывает бесплодие, вы, возможно, найдете способы преодолеть это”.
Но по мере того, как лаборатории продвигаются вперед в своих экспериментах, некоторые исследователи высказывают опасения по поводу возможного использования этой технологии в будущем. Выращивание большого количества гамет в лабораторных условиях может облегчить родителям отбор эмбрионов с желаемыми признаками и даже способствовать получению генетически модифицированных детей. Хотя, по некоторым оценкам, до такого использования еще по меньшей мере 15 лет, исследователи и некоторые правительственные органы призывают к принятию нормативных актов для решения потенциальных проблем, связанных с выращенными в лабораторных условиях яйцеклетками и спермой - процессом, известным как гаметогенез in vitro (IVG).
Исследователи расходятся в своих оценках того, когда IVG у человека станет реальностью. Лаборатория Хаяси вывела фертильных мышат из того, что он называет яйцеобразными клетками, выращенными в лаборатории. По его словам, есть шанс, что человеческие аналоги этих клеток могут быть созданы в лаборатории в ближайшие два года. Но это не значит, что они будут готовы к использованию у людей, добавляет он. Лишь небольшая часть мышиных эмбрионов, полученных из его яйцеклеток, дают начало живым детенышам, и Хаяси предполагает, что для получения по-настоящему функциональных человеческих яйцеклеток с приемлемыми показателями успеха может потребоваться пять или более лет.
Ученым также потребуется разработать и протестировать гаметы приматов, отличных от человека. В идеале, за потомством, полученным из этих яйцеклеток и сперматозоидов, можно было бы следить на протяжении нескольких поколений, что добавило бы годы к исследованиями. “Это критический момент”, - считает Митинори Сайтоу, специалист по биологии развития из Университета Киото в Японии. “Я полагаю, что в этом вопросе нам, вероятно, придется положиться на наше следующее поколение ученых”.
Рецепт получения гамет
В течение почти 20 лет исследователи знали, как перепрограммировать клетки человеческого организма в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS), которые могут принимать практически любую клеточную идентичность. Такие клетки использовались для создания клеток сердца, которые бьются в унисон, и нервных клеток, которые проводят электрические сигналы. Но подытожить сложное и длительное развитие сперматозоидов и яйцеклеток оказалось сложнее. “В этом процессе задействовано очень много стадий”, - поясняет Сурани. “И каждая из них очень сложна".
В норме гаметогенез начинается задолго до рождения. У плода начинается развитие яйцеклетки, в ходе которого незрелые яйцеклетки вырабатываются миллионами. Затем некоторые из этих клеток инициируют специализированную форму деления, называемую мейозом, при которой они теряют набор хромосом, при этом каждая клетка сохраняет половину обычного количества. Но для завершения этого деления требуются годы: клетки приостанавливаются в середине мейоза и возобновляются только спустя годы, после полового созревания, когда происходит овуляция. Каждая незрелая яйцеклетка окружена тканью, которая образует заполненный жидкостью фолликул. Эти фолликулы выделяют гормоны и созревают по мере развития яйцеклетки.
Между тем клетки, из которых образуются сперматозоиды, также формируются у плода и после полового созревания могут производить миллионы сперматозоидов каждый день в извилистых семенных канальцах яичек. Их канальцевая среда более сложна, чем фолликулы яичника, и ученым труднее воспроизвести ее в лабораторных условиях. В обоих случаях решающее значение имеет среда, в которой развивается яйцеклетка или сперматозоид. Клетки взаимодействуют с окружающей средой посредством белков и других молекул и получают физические сигналы из окружающей среды, которые влияют на их развитие.
Незрелые сперматозоиды, по-видимому, реагируют на поток жидкости вокруг них, когда они движутся по канальцам яичек, говорит Хаяси. А жесткость тканей яичника помогает удерживать развивающуюся яйцеклетку в состоянии задержки, говорит Эвелин Телфер, репродуктивный биолог из Эдинбургского университета, Великобритания. Эти сигналы и каркасы трудно воспроизвести в лабораторных условиях, особенно для IVG человека, поскольку очень трудно получить ткань для изучения нормального развития яичников и семенников. Исследователи используют методы, которые позволяют им отслеживать активность генов и экспрессию белков в отдельных клетках и неповрежденных тканях, чтобы точно определить, какие молекулы и типы клеток могут быть важны, рассказал Чува де Соуза Лопес, биолог-эволюционист из Медицинского центра Лейденского университета в Нидерландах.
В некоторых исследованиях клетки человека инкубируют с клетками яичников или яичек мышей, чтобы стимулировать их развитие в яйцеклетки и сперматозоиды. Но этот подход нельзя использовать для получения половых клеток для репродукции человека из-за возможного инфицирования вирусами животных. В Университете Британской Колумбии (Канада), уролог Райан Фланниган и его коллеги печатают тестикулярные канальцы на 3D-принтере из клеток человека для своих экспериментов с IVG. Другие подходы включают использование микрофлюидных устройств, имитирующих органы. Лаборатория Добрински выращивает трехмерные клеточные культуры, называемые органоидами, которые объединяют несколько типов клеток, обнаруженных в семенниках.
Над этим еще предстоит поработать. Например, группа Добрински изо всех сил пытается сохранить свои органоиды живыми достаточно долго, чтобы вырастить человеческие гаметы. У людей развитие яйцеклетки и сперматозоида занимает месяц, не считая многолетнего ожидания полового созревания, говорит Котаро Сасаки, репродуктивный биолог из Пенсильванского университета. “Многие не понимают, насколько это сложно", - говорит он.
Гаметы в процессе созревания
По словам Эйши Айдзавы, специалиста по биологии развития из Гарвардского университета, такой длительный период культивирования не только замедляет исследования, но и может повысить риск того, что что-то пойдет не так, что потенциально может нанести ущерб здоровью конечного продукта и любого потомства. Некоторые группы пытаются сделать этот процесс более эффективным. Например, недавно одна группа ученых обнаружила три белка, каждый из которых, по-видимому, способен инициировать мейоз как в мужских, так и в женских iPS-клетках. Но некоторые особенности этого мейоза необычны и клетки не завершают свое деление, сообщает член этой группа Меррик Пирсон Смела, главный научный сотрудник биотехнологической компании Ovelle (США).
Мейоз является ключевым камнем преткновения для IVG, поясняет Пола Коэн, клеточный биолог из Колледжа ветеринарной медицины Корнеллского университета (США). Она и ее коллеги уже около десяти лет пытаются заставить незрелые человеческие гаметы подвергнуться нормальному мейозу. “Это не работает”, - говорит она. Коэн говорит, что многие команды, которые сообщали об успехах, не в полной мере продемонстрировали, что мейоз в лабораторных условиях протекает так же, как в организме. И правильный мейоз важен: ошибки в процессе могут привести к появлению гамет с неправильным количеством хромосом.
Другой подход, о котором сообщалось в прошлом месяце, по-видимому, позволяет получить функциональные яйцеклетки, способные к оплодотворению. Исследователи заменили ядро незрелой яйцеклетки, содержащее по одной копии каждой хромосомы, ядром клетки кожи, содержащим по две копии каждой хромосомы. Затем они запустили процесс, который они назвали митомиозом, в результате которого один набор хромосом отбрасывается, имитируя некоторые особенности мейоза. Около 9% этих клеток привели к образованию жизнеспособных яйцеклеток, которые были оплодотворены и развивались еще шесть дней, образуя предшественника эмбриона, известного как бластоциста. Но все бластоцисты имели хромосомные аномалии и они не подвергались генетической перетасовке, которая обычно происходит во время развития гамет. Эта рекомбинация является источником генетического разнообразия и неясно, как ее отсутствие повлияет на потомство, говорит Коэн, или как процесс митомиоза повлияет на последующие клеточные деления. “Это требует интенсивного изучения”.
Еще одним препятствием на пути к созданию IVG у человека является воссоздание сложной последовательности изменений ДНК, которые происходят на разных стадиях развития. На ранней стадии гаметогенеза клетки систематически стирают определенные химические модификации, которые могут влиять на активность генов; позже в определенные участки ДНК добавляются новые модификации, некоторые из которых затем называются ‘импринтированными’. Этот шаг имеет решающее значение: более десятка нарушений были связаны с неправильным импринтингом, говорит Сурани. “Вы должны сделать это правильно”, - говорит он. Но что такое "правильно"? Импринтинг может варьировать у разных людей, комментирует Сайтоу. По словам Сурани, исследователи беспокоятся о том, какие изменения они могут упустить или о риске того, что удаление всех химических меток может привести к отключению определенных генов и позволить им экспрессироваться там, где этого не должно быть.
В прошлом году Сайтоу и его коллеги сообщили о способе удаления многих — но не всех — этих химических меток в лабораторных условиях. Это позволило незрелым человеческим яйцеклеткам продвинуться на шаг в развитии, но затем они снова остановились. Проблемы, вызванные неправильным импринтингом, могут не проявляться до конца жизни, говорит Сурани. Сайту подчеркивает важность многолетнего сбора данных о приматах, таких как обезьяны. Несмотря на это, обезьяны не идентичны людям на ранних этапах своего развития. “В конечном счете, всегда происходит своего рода качественный скачок”, - говорит Крамм, когда терапия впервые проводится на людях.
Тревожные сигналы
Будущие родители с нетерпением ждут, когда произойдет этот прорыв, и ученые в этой области предвидят множество практических применений. Эта работа может в один прекрасный день стать источником гамет для пар, которые не могут произвести подходящие яйцеклетки или сперматозоиды, или для людей, сталкивающихся с трудностями и иногда болезненным сбором яйцеклеток для экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). “Я предвижу, что настанет день, когда большинство людей, которые будут использовать извлечение яйцеклеток для ЭКО, вместо этого будут использовать гаметогенез in vitro”, - уверен Трэвис Поттер, исполнительный директор Ovelle.
Но такая практика может вызвать тревогу в обществе и с этической точки зрения. Возможность получения большого количества гамет — и, следовательно, эмбрионов — может снизить барьер для тестирования и выбора эмбрионов на основе сложных генетических оценок риска заболевания и, возможно, других признаков. Эта процедура также, вероятно, будет дорогостоящей, что вызывает вопросы о том, как обеспечить равный доступ. И если почти любую клетку можно перепрограммировать, чтобы она стала гаметой, то теоретически кто-то может тайно собрать клетки кожи другого человека для получения сперматозоидов или яйцеклеток без его разрешения. Недавно Управление по оплодотворению человека и эмбриологии (HFEA), которое курирует лечение бесплодия и исследования с использованием человеческих эмбрионов в Великобритании, рекомендовало внести поправки в законодательство страны, которые бы прямо касались потенциального получения яйцеклеток и сперматозоидов, выращенных в лабораторных условиях. “В разных частях мира для этого требуется очень много работы и денег”, - говорит исполнительный директор HFEA Питер Томпсон.
Сасаки лично убедился в уровне коммерческого интереса к этой области исследований. “Многие предприниматели обращаются ко мне и говорят: "Давай откроем компанию". Я говорю: ”Еще слишком рано". "Но эти компании нанимают ученых и могут соблазнить их более высокими зарплатами, чем могут предложить академические лаборатории", - говорит Сасаки. Тем временем в этой области растет число патентов, охватывающих IVG.
Некоторые компании и научные лаборатории откусывают куски от процесса, не проходя каждый этап от iPS-клеток до зрелых яйцеклеток и сперматозоидов. Например, компания Paterna Biosciences (США), пытается получить сперму из незрелых сперматозоидов. А компания Gameto использует ткань яичников, полученную из стволовых клеток, для поддержки созревания незрелых яйцеклеток в лабораторных условиях. Тем временем, биотехнологическая компания Conception стремится использовать iPS-клетки для получения зрелых яйцеклеток. В 2023 году компания попала в заголовки газет и вызвала возмущение, заявив, что она близка к созданию зрелых яйцеклеток из iPS—клеток. По словам исполнительного директора Conception Мэтта Крисилоффа, некоторые из ранних прогнозов компании были чрезмерно оптимистичными. Как только проект был запущен, он был удивлен тем, как мало было известно о развитии гамет человека, и перенос результатов, полученных на мышах, на людей прошел не так гладко, как он ожидал.
Компания Conception еще не опубликовала результаты своей работы в рецензируемом журнале, но Крисилофф уверен, что они уже близки к выращиванию яйцеклеток. Но даже если ученым удастся добиться успеха, на проведение тестов на безопасность уйдут годы. Крисилофф откровенен с людьми, когда они пишут, спрашивая, когда им будет доступно лечение. “Я всегда говорю предельно ясно: до этого еще много лет”, - говорит он. “И на данный момент мы не знаем, будет ли это достаточно безопасно".
