Чтобы предотвратить вымирание северного белого носорога, международный консорциум BioRescue пытается создать искусственные яйцеклетки из стволовых клеток. Команда под руководством Себастьяна Дике из MDC и Михи Друккер из Лейденского университета сообщила в журнале Scientific Reports, что они на один шаг ближе к достижению этой цели.
Фату и Наджин - два последних северных белых носорога в мире, и обе они самки. В результате этот подвид больше не может воспроизводиться естественным путем, и вымирание кажется неизбежным. Однако консорциум BioRescue работает не покладая рук, чтобы северный белый носорог не исчез с нашей планеты навсегда. Исследователи придерживаются двухстороннего подхода: во-первых, они разрабатывают передовые методы вспомогательной репродукции; во-вторых, они хотят использовать клетки кожи, взятые у северного белого носорога, для создания в лаборатории индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток, которые в конечном итоге могут развиться в незрелые яйцеклетки или ооциты. Команда из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка Ассоциации Гельмгольца (MDC) вместе с партнерами в Мюнхене, Нидерландах и Японии сделала важный шаг к этой цели. В журнале Scientific Reports они сообщают, что им удалось получить и провести углубленные исследования плюрипотентных стволовых клеток носорога. «Наша статья проливает новый свет на плюрипотентность - способность стволовых клеток дифференцироваться во все клетки организма», - говорит ведущий автор, доктор Вера Живица из Платформы плюрипотентных стволовых клеток в MDC, которую возглавляет доктор Себастьян Дике. «Поэтому это представляет собой важную веху на пути к искусственно созданным ооцитам носорога."
Проект BioRescue получил финансирование в размере 4 млн евро от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF). Международный консорциум, в который входит MDC, возглавляет Институт исследований зоопарков и дикой природы им. Лейбница (IZW) и сотрудничает со многими другими партнерами, включая Helmholtz Zentrum München в Германии.
Изящное искусство клеточной инженерии
iPS-клетки в чашке Петри могут развиваться в любые клетки организма, включая первичные зародышевые клетки, которые ученые BioRescue хотят культивировать. Исследователи тесно сотрудничают с лабораторией профессора Кацухико Хаяси, японского исследователя стволовых клеток из Университета Кюсю. В 2016 году Хаяши удалось получить яйцеклетки из кожи мышей, искусственно оплодотворить эти клетки и имплантировать их самкам. Мыши, зачатые этим методом, родились здоровыми и плодовитыми.
Исследователь стволовых клеток профессор Миха Друккер и его команды из Helmholtz Zentrum München и Лейденского академического центра исследований лекарственных средств при Лейденском университете использовали процесс, известный как эписомальное перепрограммирование, для успешного получения iPS-клеток северного белого носорога. При этом исследователи вводили чужеродные молекулы ДНК, называемые «плазмидами», в полученные ими клетки кожи. Эти плазмиды содержали гены для перепрограммирования клеток кожи в iPS-клетки. Полученные таким образом стволовые клетки носорога очень похожи на их человеческие эквиваленты. «Под микроскопом они едва отличимы от человеческих iPS-клеток», - говорит Друккер, добавляя: «Они также очень похоже реагируют на внешние воздействия».
Многообещающее начало культивирования зародышевых клеток
iPS-клетки имеют разные состояния: они могут быть наивными - «основное состояние» плюрипотентности - или праймированными. Считается, что клетки в последнем состоянии достигли несколько более продвинутой стадии эмбрионального развития. Эксперименты со стволовыми клетками, полученными от мышей, показывают, что они особенно хорошо продуцируют клетки зародышевой линии при переходе из праймированного в наивноподобное состояние. Однако, когда ученые впервые попытались преобразовать клетки носорога в наивное состояние, клетки погибли. Поэтому исследователи ввели в клетки носорога ген, который предотвращает гибель клеток, и с его помощью они успешно получили наивные иПС-клетки. «Мы подробно охарактеризовали клетки, среди прочего, анализируя данные транскриптома», - объясняет Зивица. «Успешное преобразование в наивное состояние плюрипотентности является многообещающей отправной точкой для создания клеток зародышевой линии».
Тем не менее, Живица и ее коллеги пока не могут перейти к следующему этапу. «Культивированные нами iPS-клетки содержат стойкий чужеродный генетический материал, а именно факторы перепрограммирования и ген, предотвращающий гибель клеток», - объясняет Живица. «Это означает, что мы не можем использовать их для создания зародышевых клеток, так как есть риск, что они будут патологически изменены». Но эти клетки по-прежнему чрезвычайно полезны для изучения стволовых клеток носорога в целом и для лучшего понимания их различных состояний в частности. С их помощью ученые могут исследовать молекулярные механизмы, происходящие в стволовых клетках.«Например, мы можем изучить, почему срок беременности носорога составляет 16 месяцев, а у мыши - всего 21 день, или как развиваются органы у разных видов», - объясняет ученый. Это учит нас многому об эволюции».
Овариальная ткань тоже необходима
Тем временем команда Дике создала новые клетки iPS. Они использовали РНК-вирусы вместо плазмид для введения факторов перепрограммирования. Эти новые иПС-клетки не содержат ничего лишнего. Теперь ученые пытаются получить из них первичные половые клетки.
И это еще не все: первичные зародышевые клетки созревают в яйцеклетки только тогда, когда они окружены тканью яичника. Практически невозможно получить такую ткань от живых или умерших носорогов. «Поэтому нам нужно создать не только первичные зародышевые клетки, но и ткань яичника», - объясняет Живица. Для достижения этой цели берлинские ученые тесно сотрудничают с Хаяши. В прошлом году он успешно культивировал ткань яичников из стволовых клеток мыши.
14 эмбрионов, созданных с помощью вспомогательной репродукции
Тем временем прогресс также наблюдается в области вспомогательной репродукции. В январе этого года ученые IZW в сотрудничестве с Кенийской службой дикой природы, Научно-исследовательским и обучающим институтом дикой природы, сафари-парком Двор Кралове и заповедником Ол Пейета собрали незрелые яйцеклетки, называемые ооцитами, из Фату. Они были выдержаны в лабораториях Avantea в Италии и осеменены размороженной спермой умершего быка. В настоящее время существует в общей сложности 14 эмбрионов северного белого носорога, которые хранятся в жидком азоте при температуре минус 196 градусов по Цельсию. В ближайшем будущем эмбрионы будут имплантированы суррогатным матери южного белого носорога с целью получения здорового детеныша северного белого носорога.
Производство 14 эмбрионов представляет собой большой успех в репродуктивной биологии, но это не так уж и много, если цель состоит в том, чтобы восстановить северное белое население до самоподдерживающегося уровня.«Наджин и Фату также тесно связаны между собой, и их генетический состав во многом идентичен», - говорит профессор Томас Хильдебрандт из IZW, возглавляющий исследовательский консорциум BioRescue. «Из-за возраста и проблем с репродуктивными путями мы не смогли собрать какие-либо ооциты из Наджина, которые могли бы превратиться в эмбрионы, поэтому все 14 эмбрионов происходят из Фату. Поэтому нам срочно нужна дополнительная стратегия для создания гамет - яйцеклеток и сперматозоидов - из значительно больше людей."
Защитим виды в мире - пока не стало слишком поздно
«Получение функциональных яиц северного белого носорога станет венцом нашего исследования», - говорит Дике. Этот подход может служить моделью для других видов, находящихся под угрозой исчезновения. Если размножение из стволовых клеток сработает, этот метод можно будет использовать для возрождения многих других исчезающих или уже вымерших видов. Более 10 000 живых клеточных культур более чем 1 000 видов, находящихся под угрозой исчезновения, хранятся в Замороженном зоопарке Центра природоохранных исследований Арнольда и Мейбл Бекман в Сан-Диего и в биобанке IZW в Берлине.«Этот бесценный ресурс можно использовать для спасения видов, находящихся на грани исчезновения», - говорит Дике. Тогда северный белый носорог был бы только началом, хотя он добавляет, что «предпочел бы, чтобы нам никогда не приходилось использовать нашу технику, и сделал бы больше для сохранения видов, пока не стало слишком поздно».
Но для Живицы одно можно сказать наверняка: если когда-нибудь благодаря технологиям стволовых клеток родится северный белый носорог, она хотела бы с ним встретиться.