Синтетический организм: эмбрионы впервые вырастили без половых клеток
Жизнь зарождается в процессе оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом — это известно каждому школьнику.
Точно так же создаются новые организмы для исследований эмбрионального развития и получения стволовых клеток, пригодных для создания новых тканей и органов. Именно факт зарождения новой жизни так затрудняет развитие этой области науки: слишком много тяжёлых этических вопросов возникает в процессе.
Ведь для получения жизнеспособных эмбрионов, а затем достаточного количества эмбриональных стволовых клеток, учёным приходится создавать сотни тысяч новых жизней "в пробирке". Нужно ли говорить, что все они так или иначе умерщвляются в ходе исследований.
Недавно учёные впервые добились, на первый взгляд, невозможного: вырастили синтетические модели эмбрионов мышей вне матки, без использования оплодотворённых яйцеклеток. Вместо них исследователи применили стволовые клетки, культивируемые в чашке Петри.
Этот метод открывает новые горизонты для изучения того, как из стволовых клеток формируются различные органы у развивающегося эмбриона. Однажды это позволит выращивать ткани и органы для трансплантации с использованием синтетических, а не "живых" моделей эмбрионов.
"Эмбрион — лучшая машина для изготовления органов и лучший 3D-биопринтер", — подчёркивает ведущий автор работы Джейкоб Ханна из отдела молекулярной генетики Научно-исследовательского института Вейцмана.
Он добавил, что учёные уже знают, как вернуть зрелым клеткам их "стволовость". Однако у этой технологии есть свои недостатки. К примеру, гораздо сложнее сделать это с целыми органами.
До сих пор в большинстве исследований специализированные клетки, как правило, вместо хорошо структурированной ткани, подходящей для трансплантации, образовывали мешанину. Авторам новой работы удалось преодолеть это препятствие, высвободив потенциал самоорганизации, закодированный в стволовых клетках.
Исследовательская группа опиралась на два предыдущих достижения, сделанных в лаборатории института.
Одним из них был эффективный метод перепрограммирования стволовых клеток обратно в так называемое "наивное состояние": на их самую раннюю стадию с наибольшим потенциалом специализации в различные типы клеток.
Вторая разработка представляет собой устройство с электронным управлением, которое команда создавала в течение семи лет. Оно предназначалось для выращивания естественных эмбрионов мыши вне матки.
Эмбрионы погружаются в питательный раствор в постоянно двигающихся сосудах биореактора. Это движение имитирует доставку питательных веществ к плаценте естественным кровотоком. Также устройство строго контролирует обмен кислорода и атмосферное давление.
В новом исследовании команда намеревалась вырастить синтетическую модель эмбриона исключительно из наивных стволовых клеток мыши, которые годами культивировались в чашке Петри. Это избавило их от необходимости начинать с оплодотворенной яйцеклетки.
Этот подход чрезвычайно ценен, потому что он может в значительной степени обойти технические и этические проблемы, связанные с использованием естественных эмбрионов в исследованиях и биотехнологии.
Исследователи разделили стволовые клетки на три группы, прежде чем поместить их в устройство. Клетки из первой группы предназначались для развития непосредственно в зародышевые органы. Их оставили такими, какие они есть.
Клетки в двух других группах были предварительно обработаны в течение 48 часов для сверхэкспрессии одного из двух типов генов: главных регуляторов либо плаценты, либо желточного мешка.
Учёные объясняют, что это ключевой этап "зарождения" искусственной жизни: тем самым эти две группы клеток дают начало внеэмбриональным тканям, которые поддерживают развивающийся эмбрион.
Вскоре после смешивания внутри устройства три группы клеток объединились в агрегаты — скопления. Но подавляющее большинство из них не смогли должным образом развиваться.
Лишь около 0,5% — 50 из примерно 10 000 — сформировали сферы, каждая из которых позже превратилась в удлинённую структуру, напоминающую зародыш.
Эти синтетические модели нормально развивались до 8,5 дня — почти половины 20-дневного срока беременности у мышей.
На этой стадии сформировались все ранние предшественники органов, включая бьющееся сердце, циркулирующие стволовые клетки крови, мозг с хорошо сформированными складками, нервную трубку и кишечный тракт.
Синтетические модели показали 95-процентное сходство с естественными эмбрионами мыши как по форме внутренних структур, так и по характеру экспрессии генов различных типов клеток. Органы, наблюдаемые в моделях, показывали все признаки того, что они функционируют.
Следующая задача учёных — понять, как стволовые клетки "знают", что делать: самостоятельно собираться в органы и находить путь к нужным местам внутри эмбриона.
В отличие от матки, разработанная учёными система прозрачна. В буквальном смысле. Прямо сковь стенки биореактора исследователи смогут наблюдать, как формируются органы, в какой момент и как именно возникают всевозможные дефекты развития эмбрионов.
Кроме того, что синтетические модели эмбрионов позволят значительно сократить использование животных в исследованиях, в будущем они могут стать надёжным источником клеток, тканей и органов для трансплантации.
"Вместо разработки отдельного протокола для выращивания каждого типа клеток — например, клеток почек или печени — однажды мы сможем создать синтетическую модель, похожую на эмбрион, а затем изолировать нужные нам клетки. Нам не придётся диктовать формирующимся органам, как они должны развиваться. Сам эмбрион делает это лучше всего", — резюмирует Ханна.
Поразительные результаты нового исследования описаны с научной статье, опубликованной в издании Cell 1 августа 2022 года.
Больше новостей из мира науки и медицины вы найдёте в разделах "Наука" и "Медицина" на медиаплатформе "Смотрим".