В настоящее время стволовые клетки заняли центральное место в исследовании возможностей создания эмбрионоподобных структур. Эти структуры, называемые "интегрированными моделями эмбрионов, полученными из стволовых клеток", имитируют сложность ранних человеческих эмбрионов, что вызывает как волнение, так и озабоченность. Баланс такого прогресса с этическими соображениями будет играть ключевую роль в раскрытии их полного потенциала, пишут Мина Попович и Сусана М. Чува де Соуза Лопес из подразделения ESHRE по изучению столовых клеток.
Плюрипотентные стволовые клетки (ПСК) получили такое название благодаря своей удивительной способности дифференцироваться в три первичных зародышевых слоя, дающих начало развивающемуся эмбриону. Однако в отличие от тотипотентных клеток, таких как зиготы и ранние бластомеры, которые могут развиваться в полноценный эмбрион (состоящий как из эмбриональных, так и внеэмбриональных тканей), ПСК участвуют только в эмбриональных линиях, упуская важнейшие элементы, формирующие плаценту и другие внеэмбриональные структуры. Плюрипотентность может быть продемонстрирована способностью ПСК генерировать химерный эмбрион при введении в бластоцисту или при объединении с морулой. В ходе этого процесса ПСК эффективно интегрируются во внутреннюю клеточную массу (ВКМ), но не включаются в трофэктодерму. (1)
Помимо генерации ПСК, ученым удалось получить из ранних эмбрионов и другие типы специализированных стволовых клеток. Одним из таких примеров являются трофэктодермальные стволовые клетки (ТСК), которые дифференцируются исключительно в линии, происходящие из трофэктодермы. Аналогичным образом, стволовые клетки экстраэмбриональной эндодермы (XEN-клетки) дают начало исключительно гипобластам. Примечательно, что с развитием методов редактирования генов и перепрограммирования ученым также удалось вернуть ПСК в тотипотентное состояние. Вооружившись более глубоким пониманием всех этих специализированных типов стволовых клеток, исследователи смогли решить задачу создания эмбриона заново - это был лишь вопрос времени. Благодаря обретенным тотипотентным способностям ПСК, как самостоятельно, так и в сочетании с ТСК или XEN-клетками, могут быть собраны в полноценные эмбрионоподобные структуры - интегрированные модели эмбриона, полученные из стволовых клеток (СЭМ).
К настоящему времени мы стали свидетелями появления различных интегрированных СЭМ человека. Среди них бластоиды, имитирующие преимплантационную бластоцисту, и более современные модели, повторяющие ранний постимплантационный прегастральный эмбрион, - эмбриоиды ETX (embryonic-trophoblast-extra-embryonic endoderm). (1, 2, 3, 4, 5, 6) Последние выделяются тем, что содержат все типы клеток и отражают основные признаки постимплантационного эмбриогенеза до 14 дней после оплодотворения, включая формирование биламинарного диска, просвет эпибласта, амниогенез, нарушение передне-задней симметрии, спецификацию примордиальных зародышевых клеток, формирование первичного и вторичного желточного мешка, разрастание экстраэмбриональной мезодермы, определяющей хориальную полость и соединительную ножку. Это резко отличается от неинтегрированных СЭМ, включая модели амниотического мешка, гаструлоидов, аксиолоидов и органоидов в целом, которые отражают лишь отдельные аспекты эмбрионального развития, оставляя без внимания важнейшие компоненты.
Способность СЭМ отражать все сложности раннего развития, безусловно, открывает новые горизонты для исследований в области регенеративной медицины и биологии развития. Однако, наряду с многообещающими перспективами, эмбриоиды ETX несут в себе и важные проблемы, вызывающие широкие дискуссии. В основе этих споров лежит их растущее сходство с естественными эмбрионами по клеточной морфологии, молекулярным признакам и даже потенциалу развития. Например, мышиные модели ETX продемонстрировали способность развиваться вне матки (ex utero), близко уподобляясь своим аналогам in vivo примерно на одной трети беременности. Эти интегрированные СЭМ обладают такими замечательными характеристиками, как бьющееся сердце, непрерывное кровообращение, нервная трубка, примордиальные зародышевые клетки и все экстраэмбриональные линии.(8,9,10)
Такое поразительное сходство неизбежно порождает этические проблемы. После сборки эмбриоиды мыши ETX уже прошли окно имплантации и поэтому не могут имплантироваться при переносе в матку мыши. Однако по мере развития исследований остро встает вопрос о возможности культивирования интегрированных СЭМ до терминального периода ex utero или до приобретения ими разумных способностей. Такой исход может сделать эти модели практически неотличимыми от естественных эмбрионов с точки зрения их потенциала развития в живые организмы. Некоторые утверждают, что интегрированные СЭМ еще далеки от достижения статуса эмбриоэквивалента, подчеркивая сохраняющиеся различия между ними и естественными эмбрионами. С другой стороны, сторонники этой точки зрения утверждают, что поразительное сходство имеет существенные последствия для нормативно-правовой базы, и утверждают, что интегрированные СЭМ уже должны юридически и этически рассматриваться как эмбриоэквиваленты.
По мере того как стирается грань между интегрированными СЭМ и естественными эмбрионами, отсутствие единого юридического определения эмбриона в разных странах создает дополнительные сложности. Если одни определяют эмбрион как продукт оплодотворения, то другие рассматривают его как скопление человеческих клеток с потенциалом развития в жизнеспособную личность. Ярким примером этой сложности в контексте исследований эмбрионов является случай партеногенетических эмбрионов с дефектами геномного импринтинга. Хотя такие эмбрионы не могут развиваться до срока, в некоторых юрисдикциях они по-прежнему считаются эмбрионами с юридической точки зрения, но не с точки зрения потенциальных возможностей. Аналогичным образом, неясность, связанная со способностью интегрированных СЭМ к полному развитию, может подвести их под юридическое определение эмбриона в некоторых странах, использующих определение потенциальности, что обязывает проводить исследования с этими моделями в соответствии с теми же юридическими и этическими требованиями, что и с естественными эмбрионами.
Кроме того, существуют опасения относительно продолжительности культивирования интегрированных СЭМ. Регулирование интегрированных СЭМ человека в некоторых юрисдикциях может наложить ограничения на период их культивирования, ограничивая его 14 сутками или до появления примитивной полосатой структуры, в зависимости от того, что наступит раньше.(11) В настоящее время исследователи проявляют осторожность и воздерживаются от культивирования СЭМ человека дольше 14 суток, несмотря на техническую возможность этого. Примечательно, что бластоиды обезьяны Cynomolgus культивировались in vitro до 17 дней после оплодотворения.(12) Культивируемые бластоиды обезьяны инициировали гаструляцию и повторяли все ключевые события развития, такие как удлиняющаяся примитивная полоска, индукция примордиальных половых клеток, а также формирование всех экстраэмбриональных полостей. Авторы пришли к выводу, что культивированные бластоиды обезьян очень похожи на естественные эмбрионы человека 7-й стадии Карнеги (около 15-17 дней развития) как по морфологии, так и по составу клеточных линий.
Интегрированные эмбриоиды человека ETX демонстрируют поразительное сходство с эмбрионами in vivo примерно на 14-й день развития. Однако вопрос о точной продолжительности их культивирования остается открытым. Интересно, что если эмбриоиды ETX демонстрируют впечатляющее развитие в культуре, то природные бластоцисты не достигают таких же продвинутых стадий развития при культивировании ex utero. Такое несоответствие может быть связано с уникальными характеристиками эмбриоидов ETX, в которых клеточные типы постимплантационного прегастрального эмбриона уже присутствуют и просто самоорганизуются в геометрической прогрессии. В отличие от этого, в естественной бластоцисте индукция различных типов клеток должна происходить с нуля, а существующие условия не позволяют поддерживать ранние траектории развития. Другим важным аспектом является то, что интегрированные СЭМ не могут воспроизвести доимплантационный период от зиготы до стадии бластоцисты, включая такие важнейшие процессы, как слияние пронуклеаров, активация генома эмбриона и деление при расщеплении. Для изучения этого критического периода альтернативной моделью остается использование эмбрионов, полученных из гамет, полученных с помощью ПСК.
В то время как научное сообщество обсуждает этические последствия и потенциальные проблемы, связанные с использованием интегрированных СЭМ человека, не вызывает сомнений тот факт, что эти открытия способны произвести революцию в области эмбриологических исследований. Возможность проводить редактирование генов в стволовых клетках и культивировать большое количество эмбриоидов в генетически однородных условиях дает множество преимуществ для изучения раннего развития, моделирования генетических заболеваний и тестирования лекарственных препаратов. Однако, углубляясь в эту важную область исследований, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать возможных трудностей.
По мере того как исследователи изучают возможности выхода за рамки существующих ограничений, таких как правило 14 дней, для юрисдикций становится крайне важным сохранять бдительность и учитывать последствия потенциальных достижений, особенно если СЭМ мыши или обезьяны будут развиваться до срока при переносе in utero или культивировании ex utero. Подчеркивание прозрачности и участие в продуманных и сбалансированных дискуссиях будет играть важную роль в навигации по этому быстро меняющемуся ландшафту для обеспечения правильного баланса и максимального использования потенциала этих многообещающих инноваций.
1. Posfai E, Schell JP, Janiszewski A, et al. Evaluating totipotency using criteria of increasing stringency. Nat Cell Biol 2021; 23: 49–60.
2. Kagawa H, Javali A, Khoei HH, et al. Human blastoids model blastocyst development and implantation. Nature 2022; 601: 600–605.
3. Ai Z, Niu B, Yin Y, et al. Dissecting peri-implantation development using cultured human embryos and embryo-like assembloids. Cell Res 2023;
4. Hislop J, Alavi A, Song Q, et al. Modelling Human Post-Implantation Development via Extra-Embryonic Niche Engineering. BioRxiv 2023;2023.06.15.545118.
5. Oldak B, Wildschutz E, Bondarenko V, et al. Transgene-Free Ex Utero Derivation of A Human Post-Implantation Embryo Model Solely from Genetically Unmodified Naïve PSCs. BioRxiv 2023;
6. Pedroza M, Gassaloglu SI, Dias N, et al. Self-patterning of human stem cells into post-implantation lineages. Nature 2023;
7. Weatherbee BAT, Gantner CW, Iwamoto-Stohl LK, et al. A model of the post-implantation human embryo derived from pluripotent stem cells. Nature 2023;
8. Amadei G, Handford CE, Qiu C, et al. Embryo model completes gastrulation to neurulation and organogenesis. Nature 2022; 610: 143-153.
9. https://www.focusonreproduction.eu/article/News-in-Reproduction-Synthetic-embryos
10. 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.
11. https://www.focusonreproduction.eu/article/News-in-Reproduction-Embryo-research
12. Li J, Zhu Q, Cao J, et al. Cynomolgus monkey embryo model captures gastrulation and early pregnancy. Cell Stem Cell 2023; 30: 362-377.e7.
