Продолжение. См. Часть 1
Глава 4. Гаструляция: рождение трёхмерного плана строения
Гаструляция — процесс, превращающий относительно простой двухслойный зародышевый диск в трёхслойную структуру с осевыми ориентирами, — до недавнего времени оставался «чёрным ящиком» человеческой эмбриологии. Моральные ограничения и технические сложности длительного культивирования не позволяли наблюдать её в динамике, и исследователям приходилось полагаться на экстраполяции с мыши, курицы и обезьян. В историческом документе 2021 года Международное общество по изучению стволовых клеток рекомендовало пересмотреть правило четырнадцати дней, что в сочетании с усовершенствованными культуральными средами позволило нескольким группам вплотную приблизиться к наблюдению за появлением первичной полоски у человека.
Результаты этих экспериментов подтвердили, что у человека, как и у других млекопитающих, гаструляция запускается согласованным действием сигнальных путей BMP, NODAL и WNT, однако расположение и динамика экспрессии имеют видоспецифичные черты. Эпибласт формирует утолщение на дорсальной стороне, через которое мигрирующие клетки инволюируют* и дают начало мезодерме и дефинитивной энтодерме**, в то время как оставшиеся на поверхности клетки становятся эктодермой. Именно на этом этапе закладывается ось «голова–хвост», и любое нарушение пространственно-временного баланса морфогенов способно вызвать грубые дефекты, включая сиреномелию или нарушения латеральности.
*Инволюируют — значит, клетки совершают движение внутрь зародыша, изменяя его пространственную организацию в процессе развития.
**Дефинитивная (зародышевая) энтодерма — это один из трёх зародышевых листков, который формируется на ранних стадиях эмбрионального развития. Она даёт начало кишечной трубке зародыша, от которой отпочковываются все органы энтодермального происхождения.
Прорывным инструментом в изучении гаструляции стали гаструлоиды — трёхмерные клеточные агрегаты, самопроизвольно организующиеся из плюрипотентных стволовых клеток. Они не обладают потенциалом превратиться в жизнеспособный организм, но воспроизводят ключевые этапы удлинения оси, появления примитивной полоски и ранней сегментации мезодермы. Комбинируя гаструлоиды с методами световой плоскостной микроскопии и пространственной транскриптомики, учёные в реальном времени наблюдают, как градиенты сигнальных молекул диктуют судьбу клеток, и как механические силы обратной связи влияют на экспрессию генов. Эти модели стали платформой для скрининга веществ, обладающих тератогенным действием, без необходимости использовать животных.
Хорда, возникающая из осевой мезодермы, играет роль временного организатора, выделяя факторы, которые инструктируют покрывающую эктодерму стать нервной пластинкой. Тот же самый молекулярный диалог позже определит передне-заднюю и дорсо-вентральную полярность нервной трубки, а также запустит формирование сомитов — парных мезодермальных блоков, из которых разовьются позвонки, рёбра и скелетные мышцы. Гаструляция, таким образом, не только дробит эмбрион на листки, но и раздаёт каждой группе клеток координаты, которые будут уточняться на всём протяжении органогенеза.
Глава 5. От нервной трубки до первых ритмов мозга
Нервная система человека стартует с нейральной индукции — процесса, зависящего от ингибирования сигналов BMP и активации FGF и WNT. Нервная пластинка сворачивается в желобок, а затем замыкается в трубку; у человека это происходит в нескольких инициирующих точках, и окончательное закрытие переднего и заднего нейропоров завершается к двадцать восьмому дню развития. Незаращение нервной трубки приводит к серьёзным порокам (анэнцефалия, спинномозговая грыжа), и крупномасштабные кампании по приёму фолиевой кислоты снизили их частоту, хотя эпидемиологические исследования указывают, что часть случаев связана с генетическими факторами, не отвечающими на дополнительный приём фолатов.
Сразу после замыкания нервная трубка начинает регионализироваться: передний конец расширяется в три первичных мозговых пузыря, а затем — в пять вторичных. Нейральные стволовые клетки, выстилающие полость будущей желудочковой системы, интенсивно делятся и мигрируют, образуя кору головного мозга, базальные ганглии и структуры мозжечка. Новейшие данные секвенирования единичных нейронов демонстрируют, что уже во втором триместре закладывается поразительное количество подтипов нейронов, причём многие популяции сохраняются на протяжении всей жизни и вовлекаются в формирование когнитивных и эмоциональных сетей.
С двадцатой недели начинаются быстрые вращательные движения глаз, исчезающие после рождения, а к двадцать восьмой — первые циклы сна и бодрствования, регистрируемые с помощью фетальной магнитоэнцефалографии и ультразвуковых наблюдений. Функциональная МРТ плода, выполняемая с коррекцией на движение и без седации, выявила сети покоя, напоминающие сеть пассивного режима работы мозга (default mode network) взрослого, что поднимает фундаментальные вопросы о зачатках самосознания до рождения. Параллельно накапливаются поведенческие свидетельства: новорождённые предпочитают голос матери и мелодии, услышанные внутриутробно, доказывая, что плод не только слышит, но и формирует слуховую память.
Стремительное развитие методов визуализации позволило картировать трактографию белого вещества ещё внутри матки и отслеживать созревание миелиновых оболочек. Понимание того, как гипоксия, инфекция или гормональный дисбаланс матери сдвигают нормальную траекторию нейрогенеза, вылилось в концепцию «нейропротекции плода». Она включает в себя не только медикаментозную терапию, например сульфат магния при угрозе преждевременных родов, но и охранительный психоэмоциональный режим будущей матери, влияющий на архитектуру синаптических связей.
Глава 6. Органогенез: сердцебиение, дыхательная подготовка и первые движения
Сердечно-сосудистая система — первая функциональная система эмбриона, и её закладка начинается в кардиогенной мезодерме уже на третьей неделе. Две эндокардиальные трубки сливаются в единую сердечную трубку, которая изгибается S‑образно, формируя примитивные желудочек и предсердие, а затем разделяется перегородками. Первые сокращения регистрируются на двадцать первый–двадцать второй день после оплодотворения, и волна кальциевых сигналов распространяется без участия нервной системы, поскольку водитель ритма локализован в самом миокарде. Современная эхокардиография способна выявить дугу аорты уже в десять–одиннадцать недель, что сделало скрининг врождённых пороков сердца рутинной и высокоинформативной процедурой.
Лёгкие проходят через псевдожелезистую, каналикулярную, саккулярную и альвеолярную стадии, хотя настоящие альвеолы появляются в основном после рождения. Ключевым моментом является продукция сурфактанта, липопротеидного комплекса, предотвращающего слипание альвеол на выдохе. У плодов, рождённых до тридцать второй недели, нехватка сурфактанта вызывает респираторный дистресс-синдром, и антенатальное введение глюкокортикоидов матери стимулирует его синтез, резко повышая выживаемость недоношенных. Последние клинические испытания оценивают возможность доставки сурфактанта аэрозольно или даже с помощью наночастиц прямо в амниотическую жидкость.
Пищеварительный канал первоначально остаётся прямым и открывается в желточный мешок, который на ранних этапах служит местом первичного кроветворения. Затем петли кишечника растут быстрее, чем брюшная полость, и физиологическая грыжа пуповины в норме спонтанно вправляется к десятой–двенадцатой неделе. Современные исследования показывают, что заселение кишечника иммунными клетками и нейронами энтеральной нервной системы происходит скоординированно, и нарушения этой координации лежат в основе болезни Гиршпрунга и некоторых форм синдрома раздражённого кишечника.
Почки развиваются через стадии пронефроса, мезонефроса и метанефроса, причём окончательная почка образуется в результате взаимодействия метанефрической мезенхимы и зачатка мочеточника. Уже с десятой недели плод начинает выделять мочу, которая становится главным компонентом околоплодных вод; маловодие почти всегда сигнализирует о патологии мочевыводящей системы или плаценты. К двадцать второй–двадцать четвёртой неделям нефроны уже способны поддерживать водно-электролитный баланс, если ребёнок рождается преждевременно, хотя полный набор нефронов завершает формирование лишь к тридцать шестой неделе.
Мышечно-скелетный аппарат закладывается из параксиальной мезодермы, сегментирующейся на сомиты. Оссификация длинных костей начинается с диафизов, а эпифизы долго остаются хрящевыми, обеспечивая рост после рождения. На ультразвуке движения плода видны уже с восьмой–девятой недели, хотя мать начинает их ощущать между восемнадцатой и двадцать второй неделями. Неврологические исследования показывают, что движения не хаотичны, а подчиняются центральным генераторам паттернов в спинном мозге, что опровергает представление о плоде как о пассивном наборе рефлексов.
Глава 7. Плодный период: рост, созревание и пластичность
В плодном периоде, длящемся с девятой недели до родов, доминируют процессы гистологического созревания и накопления биомассы. Кожа из прозрачной становится многослойной, покрывается первородной смазкой* (vernix caseosa), защищающей от мацерации амниотической жидкостью**, и лануго — тонкими волосками, помогающими удерживать смазку. Подкожная жировая клетчатка появляется с середины второго триместра и особенно быстро нарастает на последних неделях, обеспечивая термоизоляцию новорождённого. Своевременное накопление бурого жира имеет критическое значение для термогенеза сразу после рождения.
*Первородная смазка (сыровидная белая смазка) — это воскообразное белое вещество, которое покрывает кожу плода во внутриутробном периоде. Она выполняет несколько важных функций:
**Мацерация амниотической жидкостью — это процесс размягчения и разрыхления тканей плода под воздействием околоплодных вод после его внутриутробной гибели (антенатальной гибели). Это один из возможных посмертных изменений тканей плода при задержке его в матке.
Иммунная система плода, ранее считавшаяся пассивной, теперь рассматривается как активный и в значительной степени супрессированный компартмент. Т‑лимфоциты тимуса, созревая, подвергаются негативной и позитивной селекции, а регуляторные Т‑клетки обеспечивают толерантность к материнским антигенам. Феномен материнского микрохимеризма, при котором клетки матери колонизируют ткани плода и сохраняются там десятилетиями, вероятно, влияет на предрасположенность к аутоиммунным болезням и репаративные процессы. Одновременно плод вырабатывает собственные иммуноглобулины класса М, тогда как IgG попадает к нему трансплацентарно, создавая пассивный иммунитет на первые месяцы жизни.
Эндокринная система плода приобретает относительную автономию: щитовидная железа начинает накапливать йод и продуцировать тироксин с десятой–двенадцатой недели, что абсолютно необходимо для миграции нейронов и миелинизации. Надпочечники плода продуцируют предшественники эстрогенов, которые используются плацентой, и участвуют в определении времени наступления родов через сложный каскад, стимулирующий простагландины и окситоциновые рецепторы. Сбой в этом каскаде лежит в основе перенашивания или преждевременных родов, и сейчас идут интенсивные поиски биомаркёров, позволяющих предсказать спонтанное начало родовой деятельности.
Одной из ключевых концепций современной перинатологии стало фетальное программирование (DOHaD). Эпидемиологические наблюдения, начатые Баркером, и молекулярные исследования показали, что питание матери, хронический стресс, воздействие эндокринных разрушителей и уровень физической активности изменяют эпигенетические метки в клетках плода. Эти изменения, закреплённые в критические окна развития, способны увеличивать риск диабета, гипертонии и психических расстройств у взрослых. Профилактическая медицина всё активнее использует эти знания для разработки диетических и психосоциальных интервенций начиная с периконцепционного периода*.
*Периконцепционный период — это узкое временное окно, которое охватывает преконцепционный период (время до зачатия) и период от зачатия до имплантации эмбриона. В течение этого времени воздействия на мать и оплодотворённую яйцеклетку могут влиять на последующий рост и физиологические характеристики потомства.