Созданные в лаборатории модели позволяют ученым взглянуть на развитие человека за пределами первой недели
Некоторые недавно зарегистрированные скопления клеток, растущие в лабораторных чашках, были расценены как наиболее близкие к человеческим эмбрионам, которые ученые когда-либо получали в лаборатории.
Эти объекты представляют собой модели человеческих эмбрионов — массы клеток, созданных из стволовых клеток, которые имитируют некоторые свойства определенных стадий развития эмбриона. Это достижение дает исследователям возможность взглянуть на развитие человека после первой недели или около того, когда эмбрион должен имплантироваться в матку для дальнейшего развития. Эта постимплантационная стадия не была воссоздана в лабораторных чашках — до настоящего времени.
В шести исследованиях, опубликованных в июне и июле, описаны модели эмбрионов, которые в равной степени вызвали волнение и озабоченность.
Для исследователей, работающих над этими моделями эмбрионов, искусственные эмбрионы являются новым инструментом для получения представления о “черном ящике” человеческого развития после имплантации эмбрионов в матку. Они полезны, потому что донорских человеческих эмбрионов не хватает, и существуют ограничения на типы экспериментов, которые исследователи могут проводить с ними.
Около 60 процентов беременностей заканчиваются неудачей непосредственно перед, во время или вскоре после имплантации, заявила 27 июня во время брифинга, посвященного модели эмбриона, созданной в ее лаборатории, биолог по развитию и стволовым клеткам Магдалена Жерника-Гетц из Кембриджского университета и Калтеха. Выводы, почерпнутые из моделей эмбрионов, могут дать новое понимание того, почему многие беременности не приживаются, и привести к улучшению лечения бесплодия, сказала Жерника-Гетц.
Но другие обеспокоены тем, что модели — наряду с яйцеклетками и спермой, изготовленными из стволовых клеток, — вызывают опасения исследователей, использующих имитаторов для создания детей. Ученые, разрабатывающие модели, говорят, что размножение не является их целью или намерением, и что имплантация в матку с этими моделями эмбрионов невозможна.
Тем не менее, исследование поднимает вопросы о том, как — и нужно ли — регулировать то, что ученые могут делать с эмбрионоподобными образованиями, созданными из стволовых клеток. Вопросы касаются того, можно или нужно ли выращивать модели эмбрионов после периода, эквивалентного 14 дням нормального человеческого развития после оплодотворения. И критики предупреждают, что преувеличение того, что представляют собой модели или могут делать, может подорвать доверие к науке.
Новости науки поговорили с учеными и специалистами по этике, чтобы узнать больше об этих моделях человеческих эмбрионов.
Что такое модели человеческих эмбрионов?
Прежде чем ответить на этот вопрос, Амандер Кларк, президент Международного общества исследований стволовых клеток, говорит, что сначала нам нужно понять, что человеческий эмбрион является продуктом оплодотворения яйцеклетки и сперматозоида.
Модели эмбрионов, с другой стороны, самособираются из плюрипотентных стволовых клеток — тех, которые способны производить практически любой тип клеток в организме. “Следовательно, модели эмбрионов не соответствуют клиническому, медицинскому или научному определению эмбриона, потому что они не происходят из продукта оплодотворения двумя гаметами”, - говорит Кларк, специалист по стволовым клеткам, биологу развития и генетику из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
В течение многих лет ученые изучали первую неделю или около того развития человека, используя донорские человеческие эмбрионы или модели эмбрионов (SN: 1/5/22). Благодаря им исследователи многое узнали о формировании клубка клеток, известного как бластоциста. Бластоцисты имеют внешний слой клеток, который сформирует плаценту и другие системы поддержки развивающегося эмбриона, и внутреннее скопление клеток, которое даст начало организму.
Но настоящие действия происходят в следующие несколько недель жизни, говорит биолог по стволовым клеткам и эмбриолог Джейкоб Ханна из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль. Между седьмым и примерно 35-м днем после оплодотворения эмбрион строит все свои органы. “Он превращается из клубка клеток в структуру, которую любой человек на улице … они сказали бы вам: ‘Это эмбрион’. А остальные восемь месяцев - это просто рост эмбриона ”, - говорит он.
Исследователи собрали модели эмбрионов, которые содержат некоторые, но не все типы клеток, необходимых для нормального развития. Недавно опубликованные модели эмбрионов имитируют структуры, которые были бы обнаружены у эмбриона, имплантированного в матку, даже если имитаторам не во что имплантировать. Модели имитируют очень специфический период развития эмбриона: “события, которые происходят при имплантации эмбриона, то, как эмбрион самособирается”, - говорит Кларк. “Затем, по сути, они разрушаются”.
По ее словам, ни одна из моделей не копирует полностью реальный эмбрион. Например, ни одна из них не создает очень хорошей трофэктодермы, слоя клеток, который дает начало плаценте на более поздних стадиях развития. Этот слой важен для имплантации эмбриона в матку, и он также посылает сигналы, которые помогают остальной части эмбриона развиваться должным образом.
С чего началась последняя шумиха вокруг моделей эмбрионов?
Постимплантационные модели эмбрионов привлекли внимание средств массовой информации, когда Жерника-Гетц представила предварительные результаты в заключительные моменты своего выступления 13 июня в Бостоне на заседании Международного общества исследований стволовых клеток. Газета Guardian назвала эту работу прорывом, позволившим создать синтетические человеческие эмбрионы.
Эта характеристика преувеличивает достижение, говорит Альфонсо Мартинес Ариас, биолог развития из Университета Помпеу Фабра в Барселоне. По его словам, эта работа является не прорывом, а постепенным продвижением вперед и далека от воссоздания эмбриона.
Жерника-Гетц и ее коллеги генетически сконструировали стволовые клетки человека так, чтобы они напоминали три типа клеток, необходимых для развития эмбриона: клетки, имитирующие важную трофэктодерму, образующую плаценту, клетки, похожие на те, которые будут формировать желточный мешок, питающий эмбрион до тех пор, пока плацента не возьмет верх, и те, которые формируют эпибласт — клетки внутри эмбриона, которые разовьются в организм. Полученные шарики клеток напоминают некоторые аспекты человеческих эмбрионов, сообщила команда 27 июня в Nature.
Например, слой трофэктодермы образуется снаружи эмбрионоподобной структуры, как это происходит у эмбрионов. Но при сборке в трехмерную структуру не образуются белки, типичные для этого слоя, так что на самом деле это не предшественник плаценты, сказал во время брифинга соавтор Бейли Уэзерби из Кембриджского университета. Но слой необходим для сборки остальной части модели эмбриона, что позволяет предположить, что он выполняет некоторые функции трофэктодермы, сказала она.
Как создавались другие модели эмбрионов?
Как и команда Жерники-Гетц, все исследовательские группы начинали со стволовых клеток человека. Тщательный контроль условий выращивания и количества определенных типов клеток, добавляемых в смесь, позволил стволовым клеткам вырасти в структуры, подобные эмбрионам. Модели отличаются количеством типов клеток, которые они содержат, и особенностями реальных эмбрионов, которые они способны имитировать.
Одна группа исследователей уговорила стволовые клетки сформировать эмбрионоподобные структуры с двумя слоями ткани. В этой работе, также описанной 27 июня в Nature, не использовались генетические манипуляции или химические вещества, чтобы побудить стволовые клетки формировать структуры, подобные эмбрионам. Вместо этого исследователи полагались на способность стволовых клеток к самоорганизации, говорит биолог развития Берна Созен из Йельской школы медицины.
В полученной модели отсутствует трофэктодерма. Когда исследователи поняли, что ткани не хватает, они подумали, что ее отсутствие может рассказать им что-то о ее важности, говорит она. “В отсутствие этих тканей вы можете увидеть, что произойдет, чего не происходит, и тогда вы [получите] очень убедительное научное понимание того, [о] чем вам нужна эта ткань”.
По словам Мартинеса Ариаса, еще одна попытка исследователей из Китая и Мичигана, описанная в еще не прошедшем рецензирование препринте, опубликованном 16 июня в Интернете по адресу bioRxiv.org, технически впечатляет. Но у него по-прежнему отсутствует слой предшественника плаценты.
Совсем недавно команда под руководством Джун Ву из Юго-Западного медицинского центра Калифорнийского университета в Далласе убедила стволовые клетки формировать эмбрионоподобные образования, которые охватывают событие перегруппировки, называемое гаструляцией, сообщают исследователи 20 июля в Cell. Во время гаструляции эмбрионы превращаются из полых сфер клеток в многослойные структуры, которые дадут начало органам и тканям, формирующим тело.
Эти “перигаструлоидные” модели создали некоторые ткани, напоминающие ткани ранней нервной системы, и могут помочь подтвердить происхождение клеток, которые дадут начало яйцеклеткам и сперматозоидам. Эти модели также содержат желточный мешок, но “наша модель не является полной моделью”, - говорит Ву. “У нас нет ткани плаценты”.
Поскольку в моделях отсутствует трофэктодерма, исследователям пришлось добавить белки для закрепления и поддержки гаструлоидов, чтобы они могли развиваться должным образом.
Группа исследователей из Китая сообщила о предварительных результатах подобных гаструлоидов с желточными мешочками 28 июня в bioRxiv.org. Эта команда обнаружила, что химическое вещество талидомид изменяет формирование слоев ткани и прерывает развитие.
В будущем исследователи могут использовать такие модели, чтобы понять, как химические вещества из окружающей среды могут влиять на развивающиеся эмбрионы, говорит Ву.
Мартинес Ариас и другие ранее создавали гаструлоиды, которые могли моделировать развитие вплоть до 19-го дня после оплодотворения, но у этих ранних моделей не было желточных мешочков.
Являются ли какие-либо из моделей эмбрионов серьезными достижениями?
По словам Мартинеса Ариаса, из этой “золотой лихорадки” моделей эмбрионов только два являются реальными достижениями: гаструлоиды Ву и модели эмбрионов, сделанные группой Ханны.
Модели Ханны, описанные в препринте от 15 июня, опубликованном на bioRxiv.org по словам Мартинеса Ариаса, у них есть приемлемое факсимильное изображение как желточного мешка, так и предшественника плаценты, и они создают структуры, “сверхъестественно” похожие на структуры эмбрионов на 14-й день развития.
По словам Ханны, процесс создания модели эмбриона, настолько похожей на реальную, был долгим. Его команда сначала разработала, как выращивать эмбрионы мыши, прошедшие эту стадию развития, в лабораторных чашках. Используя эмбрионы мыши в качестве своего “экспериментального компаса”, исследователи затем выяснили, как собрать модель эмбриона мыши из стволовых клеток. Затем команда использовала приемы, которым они научились, для выращивания человеческих стволовых клеток в условиях, которые позволяли им самособираться в структуры, приближенные к постимплантационным эмбрионам.
Его команда обнаружила, что самосборка обошла стадию бластоцисты и перешла непосредственно к чему-то похожему на постимплантационный эмбрион. “Возможно, эмбрионы [модели] несовершенны, потому что мы не проходим через [стадию] бластоцисты. Я так не думаю. Но на данный момент я не могу этого исключить ”, - говорит Ханна.
Могут ли эти модели эмбрионов привести к появлению детей?
Нет, но этот вопрос всегда возникает.
Ученые заинтересованы в технических и биологических достижениях, которые приносят новые модели эмбрионов. Но для большинства людей “на самом деле привлекает внимание возможность того, что их можно использовать для размножения”, - говорит Кэти Хэссон, заместитель директора Центра генетики и общества, некоммерческой организации социальной справедливости, базирующейся в Беркли, Калифорния.
По словам ученых, использовать эти модели эмбрионов для размножения невозможно. “Не только незаконно помещать эти модели эмбрионов на поздней стадии внутри матки, но на самом деле, если бы я захотела или кто-нибудь захотел, эти структуры никогда не смогли бы имплантироваться”, - говорит Ханна. Имплантация происходит только тогда, когда эмбрионы состоят от одной до 64 клеток. Эти постимплантационные модели вышли за пределы этой стадии. С биологической точки зрения, говорит он, “это никогда не увенчается успехом”.
Ву соглашается. “Эти модели вообще не являются человеческими эмбрионами”, - говорит он. “Они не способны зародить какой-либо тип жизни. По сути, они представляют собой просто скопление клеток”.
Также существуют юридические ограничения на выращивание эмбрионов в лаборатории после определенной стадии. В Соединенном Королевстве закон запрещает выращивать эмбрионы после 14 дней развития, точки, в которой эмбрион включает свою программу наращивания массы тела. Это ограничение было введено вскоре после того, как стало возможным экстракорпоральное оплодотворение.
Но некоторые из этих моделей эмбрионов уже напоминают эмбрионы на 14-дневной стадии развития. Поскольку модели не создаются путем оплодотворения и никогда не смогут дать начало человеку, некоторые исследователи утверждают, что на них не должно распространяться правило 14 дней.
В Соединенных Штатах нет закона, запрещающего выращивать эмбрионы дольше 14 дней, но поправка Дики-Уикера 1995 года запрещает Национальным институтам здравоохранения США финансировать исследования эмбрионов или эмбрионоподобных клеток с “организменным потенциалом”, говорит Кларк. Поскольку в этих моделях отсутствуют важные части, у них нет потенциала для создания организма, поэтому исследования с использованием моделей эмбрионов могут быть профинансированы.
Международное общество стволовых клеток недавно обновило свои рекомендации, предполагая, что если ученые хотят культивировать эмбрионы, созданные путем оплодотворения, дольше 14 дней, им необходимо получить общественное одобрение в своей юрисдикции. Поскольку модели не являются эмбрионами, руководящие принципы общества предполагают, что их можно культивировать до появления структуры, называемой примитивной полосой, сигнализирующей о том, что эмбрион начинает строить тело.
Цель большинства ученых в этой области - понять процесс, с помощью которого клетки собирают эмбрион, а затем создают все органы и ткани тела, говорит Мартинес Ариас. Создание идеальной копии эмбриона не является ни необходимым, ни желательным, а возможно, даже и невозможным. “Я, конечно, не думаю, что это то, что мы хотим сделать, или что мы должны сделать или должны сказать”, - говорит он. “И это не то, что маячит на горизонте”.
Несмотря на это, ученым необходимо нажать кнопку "пауза", чтобы тщательно оценить эмбрионоподобные структуры и определить, как они могут помочь в понимании развития человека, говорит Мартинес Ариас. “Я надеюсь, что теперь мы все сможем разработать эти системы таким образом, который будет полезен для исследований, вместо того, чтобы пытаться увидеть, как далеко в космос мы [можем] отправиться, не думая [о] том, как мы вернемся”.
По словам Хэссона, разговоры с общественностью о том, что представляют собой модели эмбрионов с научной, философской и юридической точек зрения, а также о том, как их использовать с этической точки зрения, нужно начинать уже сейчас. “Нам нужно подумать о них сейчас, потому что это не так, и так не должно быть, что технические ограничения того, что ученые в настоящее время могут делать с этими моделями, должны определять этическую дискуссию и какими должны быть этические ограничения”.
Подпишись, чтобы всегда быть в курсе.