Начало жизни, смоделированное в лаборатории
В самом начале люди состоят из крошечного скопления клеток. На этом этапе эмбрион совершает важный этап развития, который исследователи имитировали с помощью человеческих клеток в лаборатории. Это также поднимает этические вопросы.
Ученые создали эмбрионоподобные клеточные структуры, которые имитируют важнейшую, но все еще во многом загадочную стадию человеческого развития: гаструляцию.
На этой ранней стадии развития клетки формируют план тела в трехмерной форме. Искусственные структуры, сделанные из стволовых клеток, которые имитируют этот процесс, исследователи называют гаструлоидами. Недавно эволюционировавшие гаструлоиды, полученные из клеток человека, сформировали рудиментарную сердечно-сосудистую и нервную системы, но они неспособны сформировать мозг или другие типы клеток, которые дали бы начало жизнеспособному плоду.
В прошлом исследователи создавали все более сложные клеточные структуры, чтобы более точно имитировать и изучать эмбриональное развитие в лаборатории. Последний метод создания таких структур, опубликованный в журнале Nature, может помочь выяснить причины выкидышей и ранних нарушений развития, таких как врожденные пороки сердца или расщепление позвоночника (расщепление позвоночника)..
Такая клеточная модель также облегчает понимание генетических причин или роли факторов окружающей среды в таких расстройствах, говорит Фу Цзяньпин, биоинженер из Мичиганского университета в Анн-Арборе. «Эта цель теперь в пределах досягаемости».
Исследования искусственных клеточных структур также помогут решить этические проблемы, связанные с человеческими эмбрионами. Однако искусственные клеточные структуры все больше приближаются к живым организмам. Ученые говорят, что это тоже может раздвинуть границы этики.
Ранняя стройка на кузове
Человеческие эмбрионы совершают решающий скачок в развитии на третьей неделе: гаструляция. Именно тогда в значительной степени гомогенное скопление клеток начинает дифференцироваться и формировать специфические черты частей тела. Для этого зародыш сдвигает свои клетки и создает план тела вдоль своей продольной оси, так называемую краниокаудальную ось - своеобразный план построения от головы до хвоста.
Ученые никогда не наблюдали эту стадию развития в реальном времени. Отчасти это связано с тем, что во многих странах запрещено культивирование эмбрионов в лабораторных условиях более чем через 14 дней после зачатия в исследовательских целях.
За последний год несколько исследовательских групп создали культуры эмбриональных стволовых клеток, которые имитируют эту раннюю стадию развития. Самая последняя модель такого рода разработана биологами развития Кембриджского университета Наоми Морис и Альфонсо Мартинес Ариас и их голландскими коллегами. Модель впервые показывает, как схема тела разворачивается примерно через 18-21 день после зачатия.
Как объясняет Наоми Морис, было особенно интересно наблюдать за симметричным формированием клеточных карманов вдоль краниокаудальной оси. Генетический анализ показал, что эти клетки позже образуют мышцы - в туловище, вдоль позвонков, в сердце и в других органах.
Морис убежден, что новую модель эмбриона можно использовать для понимания того, как развиваются клеточные структуры и где они допускают ошибки. Потому что именно на этом этапе развития человека кроется причина многих заболеваний, таких как сколиоз, искривление позвоночника.«Эти важные результаты помогают нам понять критические механизмы формирования человеческого тела», - сказал Ли Тяньцин, специалист по биологии развития из Института трансляционной медицины приматов в Юньнани, Китай. Он также работает над клеточными структурами, подобными эмбрионам.
Турбо для развития клеток
Для разработки новой модели, состоящей из клеток человека, команда Мориса использовала предыдущую работу. В течение последних пяти лет исследователи производили гаструлоиды из эмбриональных стволовых клеток мыши. По словам Ариаса, только для текущего исследования группе потребовалось два года, чтобы разработать правильные условия. Они обнаружили, что колония из примерно 400 клеток может образовывать функциональный органоид. Особое значение имело открытие, что химическое вещество Хирон ускоряет развитие клеток.
Обычно клетки начинали создавать трехмерные структуры самостоятельно, имитируя процесс гаструляции, объясняет Морис. Сейчас она создала сотни человеческих гаструлоидов. Почти в 70 процентах случаев они были функциональными. «На самом деле это простой процесс. И большую часть работы выполняют сами клетки», - говорит она. Хотя клеточные культуры демонстрируют определенные ключевые характеристики 21-дневного эмбриона, гаструлоиды достигают этой стадии уже через 72 часа. Однако живут они не более четырех дней. Затем, объясняет Морис, они рушатся.
По словам Фу, модель расширяема и может имитировать гораздо более ранние этапы разработки. По его оценкам, через пять-десять лет искусственные клетки смогут также имитировать плаценту. Возможно, гаструлоиды также могли быть созданы с бьющимся сердцем. В матке сердце эмбриона начинает биться примерно через 22 дня. И хотя в клеточных структурах еще не развились какие-либо части для развития мозга, Альфонсо Мартинес Ариас полагает, что и это, т.е. рост рудиментарного мыслящего органа, должно быть возможно - путем блокировки определенного молекулярного сигнала.
Такие эксперименты, однако, поднимают далеко идущие этические проблемы. Что, если бы эти органоиды могли развиться в жизнеспособные зародыши? «Мы должны быть осторожны, чтобы не начать создавать человеческие эмбрионы», - говорит Фу. Ариас соглашается со своим коллегой. Такая цель была бы неэтичной и неосмотрительной. Но возможно ли это? «Нет, не в краткосрочной перспективе», - говорит Ариас.
Природа 10.1038/d41586-020-01757-z 2020