Добавление факторов роста в культуральную среду может оказывать стимулирующее влияние на развитие эмбрионов различных видов млекопитающих и повышать частоту имплантации эмбрионов. По своему химическому составу все факторы роста являются пептидами либо небольшими молекулами глобулярных белков, которые можно отнести к цитокинам или гормонам.
Большинство факторов роста относится к цитокинам. Это пептиды и низкомолекулярные белки, которые регулируют различные взаимодействия между клетками организма, как в норме, так и при различных патологиях. Продуцируются цитокины преимущественно лимфоцитами, клетками эндотелия, а также рядом других клеток, причем они оказывают воздействие уже в очень малых концентрациях. Все цитокины можно разделить на три большие группы: воспалительные, противовоспалительные и группа регуляторов иммунитета. Факторы роста могут относиться к любой из этих трех групп.
К группе воспалительных цитокинов относятся вещества, которые запускают воспалительный процесс при негативном воздействии на ткань, орган или организм в целом, активируют молекулы адгезии на поверхности клеток эндотелия сосудов.
Фактор ингибирующий лейкимию – leukemia inhibitory factor (LIF), воспалительный цитокин, гликополипептид, который влияет на клеточную пролиферацию, подавляет спонтанную дифференцировку эмбриональных стволовых клеток. LIF продуцируется клетками костного мозга, лейкоцитами и некоторыми злокачественными клетками. Этот цитокин влияет на развитие преимплантационных эмбрионов. Показано, что при добавлении LIF в культуру in vitroсущественно улучшаются характеристики развития зародышей человека, однако действие этого фактора проявляется лишь при работе со средами без добавления сыворотки. Данный фактор ускоряет развитие эмбрионов мыши, начиная со стадии 8-ми бластомеров и до стадии, вылупившейся бластоцисты. LIF повышает частоту имплантации эмбрионов человека и увеличивает долю успешно развивающихся плодов. Более того, в мышиной бластоцисте обнаружены как рецепторы к этому цитокину, так и экспрессия самого этого фактора. Эксперименты, проведенные на золотистых хомячках, подтверждают выводы, полученные на людях и мышах, так как при добавлении этого ростового фактора в культуру in vitro улучшались характеристики развития эмбрионов хомячка.
Фактор некроза опухолей – tumor necrosis factor (TNF-a) или кахексин – воспалительный цитокин, внеклеточный пептид, выделяющийся преимущественно лейкоцитами, клетками эндотелия и другими. Обладает сходным действием с эпидермальным фактором роста. Влияет на функционирование эндотелия. Исторически к фактору некроза опухолей относили также TNF-β. Между тем, в настоящее время, TNF-β классифицируется как регулятор иммунитета и называется лимфотоксин-α. Как показано в экспериментах на мышах, TNF-a стимулирует рост преимплантационных эмбрионов в культуре in vitro и способствует клеточной дифференцировке в период эмбриогенеза. Между тем, в доступной литературе отсутствует информация о влиянии TNF-β на преимплантационное развитие млекопитающих.
Группа протививоспалительных цитокинов представляет собой низкомолекулярные белки и пептиды, тормозящие процесс воспаления. Они ингибируют транскрипцию генов воспалительных цитокинов и снижают количество рецепторов к ним. Эпидермальный фактор роста – epidermal growth factor (EGF), противовоспалительный цитокин, полипептид, который стимулирует пролиферацию различных клеток организма. EGF синтезируется преимущественно слюнными железами. Этот цитокин содержится в различных биологических жидкостях: слюне, плазме крови, молоке, моче и других. Данный фактор является важным элементом процессов ангиогенеза, регуляции артериального давления, восстановления тканей, а также канцерогенеза. Как было показано во многих работах, EGF воздействует на преимплантационные эмбрионы различных видов млекопитающих и способствует процессу дробления. Добавление этого ростового фактора в питательную среду при культивировании эмбрионов мыши in vitro способствует их развитию до бластоцисты, стимулирует синтез ДНК и РНК, стимулирует метаболизм и пролиферацию клеток. В экспериментах на мышах и золотистых хомячках было установлено, что этот фактор способствует формированию внутренней клеточной массы (ВКМ) и вылуплению (хэтчингу) бластоцисты. К тому же этот цитокин повышает долю имплантирующихся зародышей как мышей, так и крыс.
Гепарин-связывающий эпидермальный фактор роста – heparin-binding epidermal growth factor (HB-EGF), противовоспалительный цитокин, гепарин-связывающий белок, который является сильным митогеном для клеток эндотелия. Этот фактор выделяется макрофагами и способствует делению клеток, повышает проницаемость кровеносных сосудов и способствует ангиогенезу. Также, как и EGF, данный белок способен оказывать влияние на клетки преимплантационных эмбрионов. В культуре in vitro этот цитокин ускоряет развитие зародышей человека, причем особенно это сказывалось на поздних стадиях преимплантационного развития. Этот фактор также улучшал характеристики развития эмбрионов золотистых хомячков, в частности способствовал их вылуплению. Как показано в исследованиях на мышах и других грызунах, HB-EGF играет важнейшую роль в имплантации эмбрионов, способствуя образованию контактов между клетками эндометрия и трофобласта.
Трансформирующими факторами роста – transforming growth factors (TGF), являются низкомолекулярные белки, секретируемые клетками различных опухолей, которые стимулируют рост как видоизмененных, так и нормальных клеток. Различают два типа TGF: TGF-α и TGF-β. Первый является противовоспалительным цитокином, ангиогенным пептидом, стимулирующим рост эндотелиальных клеток. TGF-α выделяется преимущественно клетками злокачественных опухолей, а также рядом нормальных клеток; регулирует пролиферацию клеток, стимулирует развитие эндотелия, способствует ангиогенезу, а также ускоряет рост опухолевых клеток. TGF-β – это группа противовоспалительных цитокинов, низкомолекулярных белков, продуцируемых лейкоцитами, клетками плаценты и некоторыми другими; они обнаружены также в семинальной плазме. TGF-β оказывает тормозящее действие на иммунитет и синтез воспалительных цитокинов, стимулирует анаболизм и восстановление тканей, способствует ангиогенезу. Данные цитокины также оказывают благотворное влияние и на клетки развивающегося эмбриона. В исследованиях на мышах, золотистых хомячках, коровах показано, что трансформирующие факторы роста (TGF-α и TGF-β) улучшали характеристики развития эмбрионов in vitro. TGF-α способствует образованию бластоцеля, стимулирует синтез белка в клетках бластоцисты и снижает апоптоз клеток эмбриона. Как и перечисленные выше факторы, TGF играет важнейшую роль в имплантации эмбрионов млекопитающих.
Гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор – granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF),является цитокином широкого спектра действия, который хорошо охарактеризован по его гемопоэтическим эффектам. GM-CSF синтезируется и выделяется эпителиальными клетками репродуктивного тракта самки в ответ на попадание в него во время спаривания различных компонентов семинальной плазмы. Показано, что по отношению к развивающимся in vitro преимплантационным эмбрионам мышей этот цитокин обладает схожим с инсулином эффектом, повышая транспорт глюкозы в клетки эмбриона. Более того, добавление в культуральную среду этого фактора снижало апоптоз, что продемонстрировано как на зародышах мыши, так и человека. В большинстве исследований делается вывод о том, что присутствие в среде для культивирования GM-CSF в оптимальных концентрациях стимулирующее влияет на развитие преимплантационных эмбрионов млекопитающих. При культивировании in vitro зародышей мыши добавление в среду этого цитокина повышало число эмбрионов развившихся до стадии бластоцисты, а также способствовало хэтчингу и последующему прикреплению эмбрионов ко дну чашки Петри. Стимулирующий эффект был отмечен и при добавлении данного цитокина в среду при культивировании эмбрионов коровы. В еще большей мере эти эффекты GM-CSF выражены при культивировании зародышей человека. Между тем, недавние исследования показали, что при воздействии высоких доз этого цитокина, развитие эмбрионов мыши до бластоцисты, наоборот, угнеталось, и, в результате, бластоцисты содержали меньше бластомеров, чем в контроле, при этом существенно возрастал риск анеуплоидии. GM-CSF способен оказывать воздействие на вес и развитие новорожденных и корректировать некоторые негативные эффекты культивирования эмбрионов in vitro. Вес потомства полученного в результате трансплантации зародышей мышей, развивавшихся в среде in vitro был ниже, чем в контроле. Однако добавление в культуральную среду GM-CSF существенным образом смягчало эти эффекты.