4–9 августа в Голицыно под Москвой проходила научная школа «Биотехнологии будущего 2013». Студенты, аспиранты и молодые ученые слушали лекции о последних достижениях современной биологии, участвовали в семинарах и работе бизнес-секции, в ходе которой на основе реальных недавних открытий надо было предложить продукт, который можно было бы выпустить на рынок. Школа была организована при поддержке Российской Венчурной компании.
ProScience предлагает читателям краткий репортаж с лекции кандидата биологических наук, сотрудника Института биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН Ярославы Дмитриевны Карповой на тему «Механика in vitro оплодотворения».
25 июля 1978 года в Королевском госпитале Олдхема (Royal Oldham Hospital), недалеко от Манчестера, в семье Джона и Лесли Браун произошло радостное событие – у них родилась дочь Луиза. Они долго ждали этого ребенка, Лесли Браун не могла забеременеть девять лет из-за непроходимости фаллопиевых труб. Но вряд ли бы просто появление на свет ребенка, даже столь долгожданного, стало бы мировой сенсацией. А фотографии Луизы Браун вскоре появились в журналах по всему миру. Дело в том, что Луиза стала первым в истории ребенком, зачатым не в теле матери, а при помощи лабораторных технологий, как говорят ученые, in vitro. Журналисты окрестили Луизу «ребенком из пробирки», хотя, если быть точным, зачатие произошло в чашке Петри.
Через четыре года у Луизы появилась младшая сестра Натали, также при помощи экстракорпорального оплодотворения (ЭКО, английское название IVF – in vitro fertilization). Затем эта процедура становилась всё более распространенной и доступной. На данный момент «детей из пробирки» рождено уже более пяти миллионов, ну а сестры Браун стали взрослыми, и у них родились свои дети (зачатые обычным путем). И мало кто из посетителей современных клиник догадывается, насколько фантастичной казалась эта процедура в начале XX века.
Между тем, первые шаги метод ЭКО делал медленно. В 1890 году Уолтер Хип (Walter Heape) опубликовал в «Трудах Лондонского королевского общества» статью, в которой описал первый удачный опыт по переносу эмбрионов от одной самки кролика к другой. Идея оплодотворения in vitro уже занимала биологов начала XX века, но немногие думали, что его удастся скоро осуществить в опытах с людьми. В 1932 году ЭКО было описано в романе Олдоса Хаксли «О дивный новый мир». Писатель, среди родственников которого было немало биологов, видимо, понимал реальность ЭКО в будущем, но всё-таки отнес его к далекому XXVI веку.
В 1937 году Грегори Пинкус (Gregory Goodwin Pincus) и Эрнст Энцманн (Ernst Vinzenz Enzmann) из Гарварда, рассказали об оплодотворении in vitro яйцеклеток кролика. В 1944 году Джон Рок (John Rock) и Мириам Минкин (Miriam Minkin) также в Гарварде осуществили опыт по оплодотворению человеческой яйцеклетки. В 1959 году родился зачатый in vitro кролик. Этого добилась Мин Цзюэ Чжан (张明觉, Min Chueh Chang), работавшая в Вустерском фонде экспериментальной биологии (ныне – Worcester Foundation for Biomedical Research).
Наконец, биолог Роберт Эдвардс (Robert Edwards) и гинеколог Патрик Степто (Patrick Steptoe) после более шестисот неудачных попыток достигли успеха, и, как мы уже знаем, на свет появилась Луиза Браун. Вскоре успеха добились и медики других стран. 1980 году ребенок, зачатый при помощи ЭКО, появился в Австралии, в 1981 – в США. В 1986 году «ребенок из пробирки» родился и в СССР – во Всесоюзном научно-исследовательском центре по охране здоровья матери и ребенка (ныне – Научный центр акушерства, гинекологии и перинатологии РАМН). В 2010 году Роберту Эдвардсу за разработку технологии искусственного оплодотворения была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
В наши дни метод стал куда лучше отработан и более надежен, чем в конце 1970-х. Так как обычно за один менструальный цикл у женщины формируется всего 10-12 фолликулов из которых вызревает одна яйцеклетка (ооцит), то с помощью гормонов производится так называемая стимуляция суперовуляции, чтобы можно было получить несколько яйцеклеток. Путем пункции под наркозом ооциты забирают из организма будущей матери. С помощью центрифугирования выделяют сперматозоиды. И ооциты, и сперматозоиды изучают под микроскопом, чтобы выделить наиболее качественные, не имеющие аномалий в строении. Затем производится оплодотворение.
В некоторых случаях возможно применение метода ICSI (intracytoplasmic sperm injection) – интрацитоплазматической инъекции сперматозоида в яйцеклетку. Это метод сравнительно новый. В 1990 году в Риме врачам удалось провести оплодотворение с помощью инъекции сперматозоида в перивителлиновое пространство – зону между двумя оболочками, окружающими яйцеклетку, в результате успешно родился ребенок. Через год уже в Брюсселе группа медиков, которую возглавляли Поль Деврой (Paul Devroey) и Андре ван Стейртегхем (Andre van Steirteghem), доставила сперматозоид уже непосредственно в цитоплазму яйцеклетки.
После того, как оплодотворение произошло, клетки переносят в культуральную среду и ставят в инкубатор, где они начинают делиться. Через несколько дней эмбрионы пересаживают в матку, где продолжается их развитие. Эта процедура значительно проще, чем забор ооцитов. Оно производится через катетер и не требует обезболивания. Иногда, чтобы увеличить шанс эмбриона имплантироваться – прикрепиться к стенке матки – прибегают к хэтчингу, рассечению наружной оболочки эмбриона. Применяют механический хэтчинг, когда оболочка два раза прокалывается иглой, химический, при котором ее истончают при помощи специального раствора, и лазерный.
Так как полной гарантии, что развитие эмбриона после имплантации продолжится, нет, и в среднем один из трех эмбрионов после переноса в матку дает начало беременности, то обычно прибегают к имплантации нескольких эмбрионов. Однако многоплодная беременность тоже связана с некоторым риском, что ограничивает число эмбрионов. Раньше, как правило, имплантировали три эмбриона, сейчас чаще два.
Современные технологии ЭКО движутся к тому, чтобы перейти к переносу только одного эмбриона. Значит, становятся наиболее важными технологии оценки жизнеспособности оплодотворенных клеток. Здесь используется несколько методов. Прибегают, например, к покадровой микроскопической съемке процесса деления клеток, чтобы контролировать ход развития эмбриона (time-lapse video microscopy). Другой метод – исследование использованных культуральных сред, в которых находятся эмбрионы. В будущем с помощью таких методик удастся свести к минимуму субъективный фактор в оценке качества ооцитов, сперматозоидов и эмбрионов.
Еще одно направление развития технологии ЭКО – максимальное приближение условий культивирования к естественным условиям. Делящийся эмбрион должен чувствовать себя в инкубаторе так же, как в организме матери. Поэтому в современных инкубаторах поддерживают сниженное количество кислорода и прибегают проточному культивированию, когда движение культуральной среды имитирует течение жидкости в фаллопиевых трубах.
Важная сфера работы при экстракорпоральном оплодотворении – преимплантационная генетическая диагностика. Иногда родители с высокой вероятностью могут оказаться носителями генетических заболеваний (например, когда в семьях отца и матери были случаи муковисцидоза или другой болезни). Есть и гены, хоть и не влекущие обязательно болезнь, но связанные с высоким фактором риска, например, ген BRCA связанный с риском рака молочной железы. В этих случаях родители хотят, чтобы их ребенок не страдал от этого заболевания.
Тогда можно, прибегнув к экстракорпоральному оплодотворению, сделать предварительную генетическую диагностику. Для этого у эмбриона на стадии восьми клеток забирается одна клетка (это не вредит дальнейшему развитию эмбриона), и исследуется ее ДНК. При помощи полимеразной цепной реакции или флюоресцентной гибридизации in situ (FISH) определяется, какие эмбрионы не унаследовали ген заболевания. Эти эмбрионы имлантируют в матку.
Один из самых новых методов в области in vitro оплодотворения, разработанный медиками из Великобритании, позволяет исключить риск появления у ребенка генетических заболеваний, предопределенных не ДНК клеточного ядра, а ДНК митохондрий. Так как митохондрии ребенок наследует только от матери, в этих случаях прибегают к пересадке ядра из яйцеклетки матери в донорскую яйцеклетку, митохондрии которой не содержат ген, связанный с болезнью. В дальнейшем следует стандартная процедура in vitro оплодотворения и переноса развившегося эмбриона в организм матери.
