В двух недавно опубликованных работах описаны эксперименты, в которых из плюрипотентных стволовых клеток были созданы модели эмбрионов мыши.
Две исследовательские группы недавно добились немыслимого, продемонстрировав, что модели мышиных эмбрионов, полученные из стволовых клеток, способны развиваться от прегаструляции до раннего органогенеза in vitro (1,2). Эмбрионоподобные структуры мыши в этих экспериментах выращивались до эквивалента эмбрионального дня (E)8.5 (треть беременности мыши). Хотя многие из них имели явные морфологические аномалии, некоторые структуры содержали бьющееся сердце, зачаток мозга с передним и средним мозгом, узорчатые нервные и кишечные трубки, мигрирующие клетки, похожие на зародышевые клетки, и предшественники других органов. Примечательно, что они также развивали внезародышевые структуры, такие как пуповина, амнион и желточный мешок, которые формировали кровяные островки - и все это без участия материнских тканей.
За последние годы шквал исследований продемонстрировал замечательную способность плюрипотентных стволовых клеток (мыши и человека) к самосборке в организованные эмбрионоподобные структуры in vitro.(3,4) В то время как традиционная биология развития была ограничена доступностью естественных (оплодотворенных) эмбрионов для исследований, расширенный инструментарий стволовых клеток позволил запечатлеть in vitro некоторые аспекты периимплантационного развития млекопитающих. Соответственно, "бластоиды" воспроизводят бластоцисту, "гаструлоиды" моделируют особенности развития оси и гаструляции, а различные другие эмбриоиды имитируют аспекты формирования эпибласта, трофобласта и (про)амниотической полости. Тем не менее, до сих пор ни одна из этих моделей не могла продемонстрировать полный потенциал развития естественных эмбрионов.
Теперь два независимых исследования, опубликованные в журналах Cell и Nature, применили аналогичные технологии для создания и культивирования эмбрионоподобных структур на основе стволовых клеток, продемонстрировав их способность к самоорганизации и беспрецедентный потенциал развития. Для создания этих структур группа Магдалены Зерницкой-Гетц объединила эмбриональные стволовые клетки мыши (МЭСК) со стволовыми клетками трофобласта и внеэмбриональными эндодермоподобными клетками, используя методы, ранее разработанные их собственной группой. (5,6) Вторая группа под руководством Джейкоба Ханны начала работу исключительно с МЭСК, однако некоторые из них были подвергнуты транзиторной сверхэкспрессии основных регуляторных транскрипционных факторов, чтобы вызвать развитие трофобласта и внеэмбриональной линии эндодермы. Агрегированные стволовые клетки сначала собирались в яйцевые цилиндры, а затем развивались в полные эмбрионоподобные структуры мыши.
Для поддержания эмбрионоподобных структур в культуре обе группы использовали платформу для продленной внеутробной культуры естественных эмбрионов от E5 до E11, ранее оптимизированную группой Ханны. (7) В этой системе эмбрионы мыши культивируются в стеклянных флаконах, вращающихся на барабане в присутствии сыворотки крови крысы (или человека), с электронной системой вентиляции, регулирующей газ и давление. (8) После длительного культивирования на катящейся платформе эмбрионоподобные структуры мыши демонстрировали заметное сходство с их естественными аналогами E8.5, выращенными внутриутробно или внеутробно. Примечательно, что со временем их сложность увеличивалась, вплоть до формирования дифференцированных примордиев органов. Однако, в отличие от естественных эмбрионов, которые можно культивировать до E11 с помощью этой системы, эмбрионоподобные структуры смогли достичь морфологии эмбриона E8.5. Остается неизвестным, являются ли эти различия результатом протоколов агрегации стволовых клеток или различных требований к культуре.
Безусловно, потребуется дальнейшая оптимизация технологии. Значительная часть эмбрионоподобных структур развивалась аномально, демонстрируя различные отклонения во время культивирования ex-utero, включая полное отсутствие сегментов тела. Из нормальных яйцеобразных эмбрионоподобных структур в E5, только около 2% развились до E8.5, что дало эффективность 0.1%-0.5% от общего количества первоначально созданных агрегатов. Эти результаты были схожи в обоих исследованиях.
Гетерогенность во время формирования эмбрионоподобных структур также остается проблемой. Эффективность существенно различалась между линиями МЭСК, причем некоторые линии не могли генерировать эмбрионоподобные структуры после E6.
Несмотря на необходимость дальнейшей работы для повышения эффективности и воспроизводимости, мышиные эмбрионоподобные модели имеют некоторые преимущества перед естественными эмбрионами. Прежде всего, они лучше поддаются генетическим модификациям и могут стать мощной системой in vitro для выяснения разнообразных ролей генов во время раннего органогенеза. В конечном итоге, это может уменьшить потребность в экспериментальных животных и естественных эмбрионах для исследований. Оценка путей развития более детально, чем когда-либо прежде, также может повысить эффективность и контроль протоколов дифференциации стволовых клеток для регенеративной медицины.
Чтобы продемонстрировать функциональность своей модели, команда Зерницкой-Гетц вырубила Pax6 (ключевой ген, участвующий в формировании нервной трубки, развитии мозга и глаз) в эмбрионоподобных структурах. Заметно, что развитие нервной трубки было нарушено в структурах, лишенных Pax6, что соответствует естественным эмбрионам, лишенным этого гена.
Соответственно, будущее развитие подобных эмбрионоподобных моделей у человека может дать представление о долголетии, (не)фертильности и болезнях развития. Помимо фундаментальных исследований, Джейкоб Ханна надеется, что этот метод может стать источником новых органов и тканей для биотехнологии трансплантации человеку. Однако их использование в репродуктивных целях не рассматривается и не должно рассматриваться, тем более что эмбрионоподобные структуры фактически являются генетическими клонами донорских стволовых клеток, использованных для их формирования.
Тем не менее, перенос этой системы с мыши на человека не будет простым. Достижение тех же стадий органогенеза у человека будет соответствовать первому триместру развития плода, что, несомненно, чревато как техническими, так и этическими проблемами. На практике уловить длительность человеческой беременности, размеры примордиев органов человека и сложность этих этапов развития, безусловно, будет огромной проблемой. В настоящее время возможность культивирования человеческих эмбрионоподобных структур после гаструляции, особенно в отсутствие ключевых материнских клеточных компонентов и надлежащих анализов имплантации, остается неизвестной.
Одновременно с научными инновациями необходимо продолжать этические размышления и общественные дебаты. Учитывая их пользу для исследований, разумно предположить, что качество и потенциал развития человеческих эмбрионоподобных структур будет постепенно улучшаться. При этом важно учитывать, в какой степени использование этих моделей вызывает моральные проблемы, характерные для исследований человеческих эмбрионов. В настоящее время неясно, проявляют ли человеческие эмбрионоподобные структуры, имитирующие интактный человеческий эмбрион, потенциал развития после гаструляции - из-за отсутствия адекватных платформ для культивирования и правила 14 дней, которое запрещает культивирование in vitro человеческих эмбрионов дольше 14 дней. В прошлом году Международное общество по исследованию стволовых клеток рекомендовало смягчить этот стандарт. (9) Однако любое предложение по культивированию естественных эмбрионов или моделей эмбрионов на основе стволовых клеток, имитирующих интактный человеческий эмбрион, сверх существующего 14-дневного лимита должно получить широкую общественную поддержку и потребовать изменений в национальном законодательстве.
Тем не менее, поскольку область биологии развития полна усилий по совершенствованию моделей эмбрионов, инструментарий стволовых клеток становится все более ценным. Мы действительно ожидаем, что эмбрионоподобные структуры на основе стволовых клеток расширят дорожную карту изучения раннего развития, предлагая новые возможности для изучения первых дней развития в режиме реального времени и с беспрецедентной детализацией.
1. Tarazi S, Aguilera-Castrejon A, Joubran C, et al. Post-gastrulation synthetic embryos generated ex utero from mouse naive ESCs. Cell 2022; 185: 3290-3306.e25. doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
2. Amadei G, Handford CE, Qiu C, et al. Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis. Nature 2022: doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
3. Rossant J, Tam PPL. Opportunities and challenges with stem cell-based embryo models. Stem cell reports 2021. doi.org/10.1016/j.stemcr.2021.02.002
4. Veenvliet JV, Lenne PF, Turner DA, et al. Sculpting with stem cells: how models of embryo development take shape. Development 2021; 148: dev192914. doi.org/10.1242/dev.192914
5. Sozen B, Amadei G, Cox A, et al. Self-assembly of embryonic and two extra-embryonic stem cell types into gastrulating embryo-like structures. Nature Cell Biology 2018; 20: 979-989. doi.org/10.1038/s41556-018-0147-7
6. Amadei G, Lau KYC, De Jonghe J, et al. Inducible stem-cell-derived embryos capture mouse morphogenetic events in vitro. Dev Cell 2021; 56: 366-382.e9. doi.org/10.1016/j.devcel.2020.12.004
7. Aguilera-Castrejon A, Oldak B, Shani T, et al. Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis. Nature. 2021;593(7857):119-124. doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
8. Tam PP, Snow MH. The in vitro culture of primitive-streak-stage mouse embryos. J Embryol Exp Morphol. 1980;59:131-143.
9. See https://www.focusonreproduction.eu/article/News-in-Reproduction-Embryo-research
ИНФОРМАЦИЯ ПРЕДНАЗНАЧЕНА ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ