На ранних этапах развития человеческие эмбрионы образуют структуру под названием бластоциста. Две группы исследователей создали структуры, подобные человеческим бластоцистам, in vitro, что даёт ценную модель для развития эмбриологии человека.
Правильное понимание раннего развития человека очень важно, так как мы хотим улучшить вспомогательные репродуктивные технологии и предотвращать потерю беременности и врождённые пороки. Однако изучение раннего развития крайне сложно, так как человеческие эмбрионы редко доступны для исследования, а сами исследователи ограничены строгими этическими и юридическими правилами. Появление технологий, которые используют культивированные in vitro клетки для создания моделей эмбрионов млекопитающих, таким образом, открывает потрясающие возможности. Две статьи, опубликованные в Nature, знаменуют ключевые прорывы в этой области. Они показывают, что у стволовых клеток эмбрионов человека или у клеток, перепрограммированных из взрослых, можно вызвать самоорганизацию в лабораторных условиях, так, что они образуют структуры, напоминающие ранние человеческие эмбрионы. Это первая интегрированная модель эмбриона человека, содержащая типы клеток, свзяанные с основанием всех линий клеток в плоде и поддерживающих его структурах.
У млекопитающих оплодотворённая яйцеклетка в первые дни развития претерпевает серию делений, которые приводят к образованию структуры под названием бластоциста. Бластоциста содержит внешний слой клеток под названием трофектодерма, который окружает полость, содержащую кластер клеток, называемый внутренней клеточной массой (ВКМ). По мере развития бластоцисты ВКМ разделяется на две соседствующие популяции клеток: эпибласт и гипобласт (также известные как примитивная эндодерма у эмбрионов мышей). Бластоциста затем имплантируется в ткани матки, после чего происходит так называемая гаструляция, в ходе которой клетки эпибласта дают начало трём базовым слоям клеток, которые затем сформируют весь плод. Трофектодерма в дальнейшем образует большую часть плаценты, а гипобласт образует некоторые слои структуры под названием желточный мешок, которая нужна для первоначального снабжения плода кровью.
Первые модели in vitro, которые воссоздают образование бластоцисты из культивированных клеток (с образованием структур, известных как бластоиды), использовали стволовые клетки мышей, соответствующие стволовым клеткам, обнаруженным в эпибласте, трофобласте и примитивном эндодерме мышиной бластоцисты. Однако создание подобных бластоидов из клеток человека до настоящего времени не удавалось. Предыдущие модели раннего развития человека использовали стволовые клетки человека на стадии, похожей на клетки эпибласта после имплантации, но до гаструляции. Поэтому, хоть им и удалось воссоздать некоторые стадии развития человека после имплантации, у них недоставало линий клеток, ассоциированных с трофектодермой, гипобластом или ими обоими.
В рассматриваемых статьях исследователи Юй с коллегами и Лю с коллегами описывают человеческие бластоиды. Ключевыми в этом технологическом прорыве, кажется, были два фактора: использование клеток, соответствующих разным линиям бластоцисты человека, а также оптимизация протоколов культивирования.
Юй с коллегами начинали либо со стволовых клеток человеческих эмбрионов, которые были получены из человеческих бластоцист, либо с индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые получались из взрослых клеток. Что более важно, оба этих типа стволовых клеток похожи на клетки эпибласта в бластоцисте и также могут давать начало линиям, связанным с трофектодермой и гипобластом. В то же время, Лю с коллегами перепрограммировали взрослые клетки кожи — фибробласты, чтобы те сформировали смешанную популяцию клеток, которая содержала клетки с профилями экспрессии генов, похожими на таковые для эпибласта, трофектодермы и гипобласта. Так же, как в протоколах для бластоидов мышей, в обоих подходах клетки засевались в трёхмерные сосуды от компании Aggrewell и затем обрабатывались жидкой питательной средой, которая содержала химические факторы, необходимые для управления сигнальными активностями, нужными для развития бластоцисты (рис. 1). Юй и коллеги обрабатывали клетки двумя разными типами питательной среды последовательно, чтобы способствовать дифференциации клеток в линии, соответствующие трофектодерме и гипобласту.
Обе группы обнаружили, что бластоиды человека сформировались после 6–8 дней культивирования, а эффективность формирования составила почти 20%, что сравнимо с эффективностью протоколов для бластоидов мышей. Бластоиды человека походили на естественные бластоцисты по форме и размеру и имели сходное общее число клеток. Они также имели полость и кластер, подобный ВКМ.
Подробный анализ бластоидов (включая анализ экспрессии всего генома и сравнение с данными для человеческих эмбрионов) показал, что линии клеток имеют те же черты на молекулярном уровне, что и в человеческой бластоцисте перед имплантацией. Пространственная организация линий, связанных с эпибластом, трофектодермой и гипобластом, соответствует таковой для человеческих эмбрионов перед имплантацией. Группы исследователей также продемонстрировали, что клетки бластоидов имеют ключевые свойства линий бластоцист: клетки, выделенные из бластоидов, можно использовать для получения различных типов стволовых клеток. Юй и коллеги показали, что, если эти стволовые клетки пересадить в бластоцисты мышей, они дадут начало клеткам, которые могут интегрироваться в соответствующие мышиные линии в эмбрионе мыши.
Затем исследователи проанализировали дальнейшее развитие бластоидов, используя широко распространённый метод, который эмулирует имплантацию в матке в сосудах для культивации. Как и в случае бластоцист, когда бластоиды выращивались в течение 4–5 дней, некоторые из них прикреплялись к сосуду для культивации и продолжали развиваться. В некоторых из этих прикреплённых бластоидов клеточная линия, соответствующая эпибласту, стала реорганизоваться в структуру, окружающую центральную полость, — подобие про-амниотической полости, которая формируется в эпибласте бластоцист после имплантации. В некоторых бластоидах линии клеток, связанные с трофектодермой, распространились и выказывали признаки дифференциации в специализированные типы плацентарных клеток. Юй и коллеги также наблюдали у некоторых бластоидов в линии клеток, соотвествующих гипобласту, вторую полость, которая напоминает полость желточного мешка.
Совместно данные групп демонстрируют, что бластоиды человека — это многообещающие модели in vitro предимплантационного и раннего постимплантационного развития бластоцисты. Однако у них есть значительные ограничения. Например, развитие бластоидов неэффективно и варьируется в клеточных линиях, полученных у разных доноров и в разных экспериментах. Кроме того, три линии клеток, судя по всему, развивались с несколько разной скоростью в одних и тех же бластоидах, а развитие бластоидов в одном и том же сосуде не было синхронизировано. Пространственная организация линий клеток, связанных с гипобластом, нуждается в улучшении. Кроме того, бластоиды содержали неидентифицированные популяции клеток, которые не соответствовали каким-либо частям естественных бластоцист человека.
Другая сложность заключается в том, что развитие бластоцист ограничено стадиями пост-имплантации, в отличие, например, от бластоцист мышей. Понадобится дальнейшая оптимизация условий экспериментов и культивации, чтобы улучшить стадию культивирования человеческих бластоидов in vitro хотя бы до эквивалента 14 дней in vivo. Жёсткие этические нормы запрещают культивирование человеческих эмбрионов позднее этой стадии, когда начинают появляться структуры, связанные с гаструляцией. Трёхмерные системы для культивирования человеческих бластоцист, которые бы эффективно способствовали постимплантационному развитию, могли бы помочь улучшить нашу способность культивировать бластоиды до этого ограничения, поддерживая в бластоидах нормальную трёхмерную архитектуру тканей и пространственные взаимоотношения между клетками различных линий.
Бластоиды человека — это первые модели человеческих эмбрионов, полученные из клеток, культивированных in vitro, и имеющие все линии клеток, дающие начало плоду и поддерживающим его тканям. По мере оптимизации протоколов эти бластоиды будут всё больше напоминать человеческие бластоцисты. Это неизбежно приведёт к биоэтическим вопросам. Каким должен быть этический статус бластоидов человека и как его следует регулировать? Должно ли применяться правило 14 дней? На эти вопросы нужно ответить до того, как со всеми предосторожностями продолжать исследование человеческих бластоидов. Для многих людей изучение бластоидов человека может быть менее спорным с этической точки зрения, чем изучение бластоцист человека. Однако другие могут увидеть в исследования бластоидов вариант генной инженерии человеческих эмбрионов. Таким образом, непрерывное развитие моделей эмбриона человека, включая бластоиды человека, требует публичных обсуждений научной значимости таких исследований, а также социальных и этических вопросов, которые они поднимают.
_______________
Перевод Антон Меньшенин , редактор Вера Круз , автор блога Обзоры фильмов и книг Веры Круз .
Источник — First complete model of the human embryo .
