Ученым из Кембриджского университета удалось создать структуру, напоминающую эмбрион мыши в культуре, используя два типа стволовых клеток - «главные клетки» организма - и трехмерный каркас, на котором они могут расти.
Понимание самых ранних стадий развития эмбриона представляет интерес, потому что это знание может помочь объяснить, почему более двух из трех человеческих беременностей на этом сроке заканчиваются неудачей.
После того как яйцеклетка млекопитающего оплодотворяется сперматозоидом, она многократно делится, образуя небольшой свободно плавающий шарик стволовых клеток. Особые стволовые клетки, из которых в конечном итоге сформируется будущее тело, эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), собираются вместе внутри эмбриона к одному концу: эта стадия развития известна как бластоциста. Двумя другими типами стволовых клеток в бластоцисте являются внеэмбриональные стволовые клетки трофобласта (TSC), которые образуют плаценту; и примитивные стволовые клетки энтодермы, которые образуют так называемый желточный мешок, обеспечивающий правильное развитие органов плода и обеспечивающий необходимыми питательными веществами.
Предыдущие попытки вырастить эмбрионоподобные структуры с использованием только ЭСК имели ограниченный успех. Это связано с тем, что раннее развитие эмбриона требует тесной координации различных типов клеток друг с другом.
Однако в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science, исследователи из Кембриджа описывают, как, используя комбинацию генетически модифицированных мышиных ESC и TSC вместе с трехмерным каркасом, известным как внеклеточный матрикс, они смогли вырастить структура, способная к самособиранию, развитие и архитектура которой очень напоминают естественный зародыш.
«И эмбриональные, и экстраэмбриональные клетки начинают общаться друг с другом и организуются в структуру, которая выглядит и ведет себя как эмбрион», - объясняет профессор Магдалена Зерницка-Гетц из Отделения физиологии, развития и Невролог, который руководил исследованием. «У него есть анатомически правильные области, которые развиваются в нужном месте и в нужное время».
Профессор Зерницка-Гетц и его коллеги обнаружили поразительную степень связи между двумя типами стволовых клеток: в некотором смысле клетки сообщают друг другу, где в эмбрионе они должны разместиться.
«Мы знали, что взаимодействие между различными типами стволовых клеток важно для развития, но поразительная вещь, которую иллюстрирует наша новая работа, заключается в том, что это настоящее партнерство - эти клетки действительно направляют друг друга», - говорит она. «Без этого партнерства правильное развитие формы и своевременная работа ключевых биологических механизмов не происходит должным образом."
Сравнивая свой искусственный «эмбрион» с нормально развивающимся эмбрионом, команда ученых смогла показать, что его развитие происходило по той же схеме. Стволовые клетки самоорганизуются, с ЭСК на одном конце и ОСК на другом. Затем в каждом кластере открывается полость, прежде чем соединиться вместе, чтобы в конечном итоге стать большой, так называемой проамниотической полостью, в которой будет развиваться эмбрион.
Хотя этот искусственный эмбрион очень похож на настоящий, маловероятно, что он в дальнейшем разовьется в здоровый плод, говорят исследователи. Для этого, вероятно, потребуется третья форма стволовых клеток, которая позволит развить желточный мешок, обеспечивающий питание эмбриона и внутри которого развивается сеть кровеносных сосудов. Кроме того, система не оптимизирована для правильного развития плаценты.
Профессор Зерницка-Гетц недавно разработала методику, которая позволяет бластоцистам развиваться in vitro после стадии имплантации, что позволяет исследователям впервые анализировать ключевые этапы развития человеческого эмбриона в течение 13 дней после оплодотворения. Она считает, что эта последняя разработка может помочь им преодолеть одно из основных препятствий для исследований человеческих эмбрионов: нехватку эмбрионов. В настоящее время эмбрионы получают из яйцеклеток, донорских в клиниках ЭКО.
«Мы думаем, что можно будет имитировать многие события развития, происходящие до 14 дней, с использованием эмбриональных и внеэмбриональных стволовых клеток человека, используя подход, аналогичный нашей методике с использованием стволовых клеток мыши», - говорит она. «Мы очень оптимистичны в том, что это позволит нам изучать ключевые события этой критической стадии человеческого развития, фактически не работая с эмбрионами. Знание того, как обычно происходит развитие, позволит нам понять, почему оно так часто идет не так».
Исследование в значительной степени финансировалось Wellcome Trust и Европейским исследовательским советом.
Д-р Эндрю Чизхолм, глава отдела клеточных исследований и развития в Wellcome, сказал: «Это элегантное исследование создания эмбриона мыши в культуре, которое дает нам представление о самых ранних стадиях развития млекопитающих. Работа профессора Церницкой-Гетц действительно показывает важность фундаментальных исследований, помогающих нам решать сложные проблемы, для решения которых у нас пока недостаточно доказательств. Теоретически аналогичные подходы можно было бы однажды использовать для изучения раннего развития человека, проливая свет на роль материнской среды в врожденных дефектах и здоровье».