Неинвазивный подход к визуализации может привести к инновациям в скрининге эмбрионов.
Ученые получили наиболее детальные изображения человеческих эмбрионов, развивающихся в реальном времени, используя два обычных лабораторных инструмента - флуоресцентные красители и лазерные микроскопы. Эта методика, описанная в журнале Cell 5 июля , позволяет исследователям изучать важнейшие события первых дней развития без генетического изменения эмбрионов, что ранее ограничивало использование некоторых методов визуализации человеческих эмбрионов из-за этических соображений.
"Впервые мы можем получить изображение раннего человеческого эмбриона на самых ранних стадиях развития с клеточным разрешением", - рассказывает Николас Плахта, клеточный биолог из Пенсильванского университета в Филадельфии и один из авторов статьи. "Мы можем видеть отдельные клетки и то, как они взаимодействуют друг с другом в процессе формирования предимплантационного эмбриона". Помимо того, что этот метод визуализации является новым инструментом для исследователей, он может привести к разработке способов неинвазивного скрининга эмбрионов, созданных в результате экстракорпорального оплодотворения (ЭКО).
Обычно исследователям приходится изучать человеческие эмбрионы на посмертных образцах, поскольку многие инструменты для маркировки живых клеток предполагают их генетическую модификацию для получения флуоресцентных белков. Плахта и его коллеги разработали обходной путь, используя флуоресцентные красители, которые можно просто добавить в образец для маркировки определенных клеточных структур. Эмбрионы, использованные в данном исследовании, были переданы для исследований через клинику ЭКО. По словам Плахты, они находятся на очень ранней стадии развития - в каждом из них всего 60-100 клеток - и еще не имеют полностью сформированных тканей и органов.
Исследователи использовали флуоресцентный краситель SPY650-DNA, маркирующий геномную ДНК, и SPY555-actin, маркирующий белок F-актин, образующий каркас клеток. Затем с помощью мощных лазерных сканирующих микроскопов были визуализированы десятки живых эмбрионов в течение первых 40 часов развития. "Мы могли видеть, как эти клетки делятся, как происходит сегрегация хромосом, и даже фиксировать в реальном времени дефекты сегрегации хромосом", - утверждает Плахта. Например, исследователи заметили, что клетки внешнего слоя эмбриона, известного как трофэктодерма, теряют часть своей ДНК во время стадии клеточной репликации, называемой интерфазой, в которой клетки реплицируют свою ДНК. Такие ошибки могут быть связаны с хромосомными аномалиями, такими как анеуплоидия - состояние, характеризующееся наличием лишних или отсутствующих хромосом в раннем эмбрионе и связанное с потерей беременности и неудачной имплантацией.
"Зная, когда возникает анеуплоидия, мы получаем возможность вмешаться и попытаться исправить ситуацию", - поясняет Зев Уильямс, специалист по бесплодию из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Новейшие изображения показывают первые дни развития эмбриона "с невиданной ранее четкостью", добавляет он. Исследователи также смогли сравнить основные события, происходящие в эмбрионах человека и мыши, которые часто используются в качестве модели для изучения эмбрионального развития. При этом были обнаружены некоторые важные различия. Например, процесс, называемый уплотнением, который включает в себя изменение формы клеток, начинается у эмбрионов человека на стадии 12 клеток по сравнению с 8 клетками у мышей; этот процесс также более асинхронен у эмбрионов человека, что приводит к вариациям в формировании внутренних и внешних клеток.
"Обнаружение этих небольших изменений - вот что делает эту работу такой новаторской", - считает Сэйд Клейтон, клеточный биолог из Вашингтонского университета. "Эти небольшие различия на самом деле могут привести к достаточно большим различиям в процессе развития в матке". Авторы надеются развить это исследование, получая изображения человеческих эмбрионов в течение более длительного времени, используя лазерные микроскопы меньшей интенсивности и применяя другие красители, способные маркировать различные структуры, например, клеточные мембраны. По словам Плахты, в будущем эта методика может найти даже клиническое применение. "В будущем мы могли бы использовать этот тип живой визуализации для неинвазивного наблюдения за эмбрионами в клинике, - говорит он. Это может стать частью тестов, позволяющих определить, "какой эмбрион обладает наилучшим потенциалом" перед имплантацией, добавляет он.
Источник: Nature 619, 448 (2023)