На прошедшей неделе группе ученых из Испании, Китая и США, которую возглавляли Цзюнь У (Jun Wu) из Юго-западного медицинского центра Техасского университета и Хуан Карлос Исписуа-Бельмонте (Juan Carlos Izpisúa Belmonte) из Института биологических исследований имени Солка, удалось вырастить в клеточной культуре структуру, напоминающую бластоцисту — одну из ранних стадий развития зародыша. Источником для нее послужила всего лишь одна стволовая клетка — такого результата удалось добиться впервые. О достижении сообщается в журнале Cell.
Развитие эмбриона до момента прикрепления к стенке матки вызывает большой интерес ученых, но изучение этого процесса на молекулярном уровне сталкивается с трудностями. В частности, не удается создавать жизнеспособные аналоги ранних стадий развития эмбриона in vitro. Если научиться это делать, они послужат хорошим объектом для изучения идущих в ходе развития молекулярно-генетических процессов.
При обычном развитии эмбриона млекопитающих оплодотворенная яйцеклетка многократно делится, образуя эмбриональные стволовые клетки. Спустя некоторое время, когда наступает стадия бластоцисты, в составе эмбриона выделяются две группы клеток. Одна из них (эмбриобласт) образована клетками, которые в будущем образуют тело нового живого существа, другая (трофобласт) даст начало плаценте. На стадии бластоцисты эмбрион имеет вид полого шарика (у человека его диаметр равен примерно 0,1 миллиметра). Оболочку этого шарика образуют клетки трофобласта, а клетки эмбриобласта скапливаются внутри, возле одного из его полюсов.
В предыдущих попытках вырастить искусственный эмбрион, не прибегая к искусственному оплодотворению или клонированию, использовались только стволовые клетки эмбриобласта. В результате не удавалось получить структуру, хотя бы отчасти напоминающую эмбрион на ранней стадии развития, так как в этот период требуется, чтобы разные типы клеток координировали тесное взаимодействие друг с другом. Большим прорывом в 2017 году стала работа исследователей из Кембриджского университета, которые использовали не только стволовые клетки эмбриобласта, но и трофобластные стволовые клетки (их также называют экстраэмбриональными стволовыми клетками), а также внеклеточный матрикс, который должен был обеспечить трехмерную структуру эмбриона.
В нынешней работе удалось продвинуться дальше благодаря использованию так называемых «расширенных плюрипотентных стволовых клеток» (extended pluripotent stem cells, EPS-клетки). Если обычные стволовые клетки, взятые у эмбриона, могут дать начало разным типам эмбриональных клеток, но не могут дифференцироваться в клетки трофобласта, то эти клетки способны переходить как в клетки эмбриобласта, так и в клетки трофобласта. Чтобы наделить их такой способностью, на клетки во время культивирования воздействуют рядом веществ. Научились создавать EPS-клетки мышей в 2017 году.
Чтобы вырастить из EPS-клеток бластоид — подобие бластоцисты, на них воздействовали веществами, которые направляют развитие стволовых клеток как в сторону эмбриобласта, так и в сторону трофобласта. При этом для развития клеткам была создана среда, в которой они могут организовываться в трехмерные структуры. В итоге бластоиды возникали из EPS-клеток, но не из простых эмбриональных стволовых клеток.
Отдельной задачей было вырастить бластоид из одной клетки. Просто так из одиночной клетки развитие бластоида не шло. Тогда ученые взяли EPS-клетку, наделенную геном устойчивости к антибиотику пуромицину, вместе с другими клетками, не имевшими такого гена. После первых стадий развития этих клеток культуру обрабатывали пуромицином и неустойчивые клетки гибли. Поэтому все клетки формирующегося бластоида были потомками одной EPS-клетки. Правда, из одиночной клетки бластоид возникал только в 2,7 % случаев.
Еще один эксперимент состоял в том, чтобы выращивать бластоид не просто из мышиной EPS-клетки, а из клетки, которая изначально не была стволовой. В этом случае брался фибробласт (один из типов клеток соединительной ткани) взрослой мыши. Из фибробласта делалась индуцированная плюрипотентная стволовая клетка (о том, как это делается, можно прочитать в отдельном очерке), из этой клетки — EPS-клетка, а потом уже из нее выращивался бластоид. Этот путь тоже удалось удачно завершить.
Бластоид, возникший из одной EPS-клетки. Зеленый — клетки трофобласта, красный — клетки эмбриобласта.
Получающиеся в таких случаях бластоиды были пусть и не идентичны природным бластоцистам, но обладали многими их свойствами. К пятому дню роста бластоиды выглядели аналогично бластоцистам в возрасте четырех с половиной дней. Они представляли собой полый шарик из клеток, внутри которого была отдельная группа клеток. К пятому или шестому дню бластоиды содержали клетки, сходные со всеми тремя клеточными линиями, имеющимися в бластоцистах. Наличие различных типов клеток в бластоиде было определено по транскриционной активности их генов, которая соответствовала ожиданиям. При развитии бластоидов in vitro повторялись характерные этапы преимплантационного и раннего постимплантационного развития бластоцист.
Развитие бластоида до пяти дней и сравнение его с обычной бластоцистой
Некоторые бластоиды (примерно 7 %) после переноса в матку мыши успешно имплантировались и продолжали развитие около недели. В них выделялись клетки децидуальной ткани, из которой впоследствии образуется плацента. Однако ткани в этих бластоидах были деформированы, а развитие шло медленнее по сравнению с обычными бластоцистами. Смогут ли когда-нибудь бластоиды мыши, полученные новым методом, развиться в здоровых взрослых мышей, неясно, но пока исследователи и не ставили перед собой такой задачи.
Слева: постимплантационный эмбрион мыши в возрасте семи с половиной дней, полученный путем переноса в матку естественной бластоцисты. Справа: постимплантационная эмбрионоподобная структура в возрасте семи с половиной дней, созданная путем переноса в матку мыши бластоида.
Авторы работы делают вывод, что полученные ими бластоиды из «расширенных плюрипотентных стволовых клеток» могут дать уникальную возможность для изучения раннего эмбриогенеза и прокладывают путь к созданию жизнеспособных синтетических эмбрионов из клеточных культур. С ними согласен профессор генетики Кентского университета Даррен Гриффин, который так прокомментировал результаты экспериментов: «Это выдающееся исследование, которое улучшит наше понимание раннего развития. Важно понимать, что так называемые EPS-бластоиды, разработанные в этом исследовании, не являются эмбрионами. Работа была сделана на мышах, и мышиные бластоиды были имплантированы в матку, но они не развивались в мышат. Цель этого исследования состоит в том, чтобы изучить раннее развитие эмбрионов, поэтому, даже если бы человеческие бластоиды были получены (чего не было сделано), нет никаких предположений, что их будут использовать, чтобы попытаться вызвать беременность. Скорее, эти мышиные бластоиды представляют собой превосходную модельную систему для изучения раннего развития млекопитающих, и, поскольку можно получить гораздо больше генетически идентичных бластоидов, чем эмбрионов, крепнет наша уверенность в полученных результатах».
