Модель человеческого эмбриона возрастом две недели получена из стволовых клеток

Исследование эмбриогенеза после имплантации в матку — технически сложная задача, а в случае человеческих эмбрионов сопряженная с этическими ограничениями. Основная информация об этих стадиях развития получена благодаря изучению эмбриологических коллекций, соответствующих экспериментальных моделей пока не существует. Израильские ученые под руководством доктора Якоба Ханны из Вейцмановского института в Реховоте вместе с коллегами из других стран повторили на человеческих стволовых клетках разработку, опробованную на мышиных клетках, которая предоставляет такую модель. (Об этой и других подобных работах много  писали в июне, когда были опубликованы препринты.)

Еще в 2021 году Якоб Ханна с коллегами выращивали мышиные эмбрионы ex utero (вне матки), в специальном вращающемся барабане с контролируемыми давлением и уровнями газов. Эмбрионам удавалось пройти стадии от поздней гаструлы до образования задних лапок (примерно 11-й день развития; срок беременности мыши — 20 дней). В августе 2022 года у исследователей из Реховота вышла еще одна статья: платформу для внеутробного развития использовали для получения искусственных мышиных эмбрионов sEmbryos (stem cell-derived synthetic whole embryo models) из наивных эмбриональных плюрипотентных клеток. Чтобы получить эндодерму или трофоэктодерму (трофобласт) — клетки, необходимые для развития желточного мешка и плаценты соответственно, — в эмбриональных клетках временно включали экспрессию регуляторных факторов, затем клетки разных типов культивировали совместно. В другом варианте команда из Великобритании, США и Израиля использовала для получения эндодермы экстраэмбриональные эндодермные стволовые клетки (подробнее на PCR.NEWS). На  стадии, соответствующей восьми с половиной дням эмбрионального развития, эмбрионы мыши имели все отделы мозга, нервную и кишечную трубки, бьющееся сердце.

Авторы работы заявили, что готовы повторить это исследование на человеческих стволовых клетках, «в том числе и на своих собственных», сказал Якоб Ханна: «Эмбрион — лучшая машина для создания органов и лучший 3D-биопринтер — мы пытались подражать тому, что он делает». Тогда же Ханна рассказал о создании стартапа Renewal Bio, который планирует получать человеческие эмбрионы «без легких, сердца или мозга» для нужд трансплантологии.

До этого, очевидно, еще далеко. Однако исследование развития эмбриона на ранних стадиях само по себе имеет большое научное и практическое значение, в том числе для репродуктивной медицины; около трети беременностей заканчиваются потерей эмбриона в период между имплантацией и четвертой неделей. В модели эмбриона, подходящей для исследовательских целей, должны присутствовать все характерные клеточные линии, которые своевременно и адекватно формируют основные эмбриональные структуры. Этого результата удалось достичь.

Человеческий эмбрион содержит, помимо трофоэктодермы (ТЕ), первичной эндодермы (PrE) и эпибласта, из которого и формируется эмбрион, клетки экстраэмбриональной мезодермы (ExEM) — они вырабатывают первую кровь эмбриона и помогают прикрепить эмбрион к плаценте. Поэтому в новой работе авторы получили из наивных эмбриональных стволовых клеток три типа клеток — ТЕ, PrE и ExEM — за счет временной экспрессии регуляторов и специально подобранных условий культивирования. В работе использовались существующие линии эмбриональных стволовых клеток, которые выращивают в лаборатории, а не получают de novo. Часть экспериментов по дифференцировке клеток также проводилась на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках от донора-мужчины европейско-средневосточного происхождения.

Примерно 120 клеток (наивные ЭСК, PrE/ExEM и TE-подобные клетки в соотношении 1:1:3) смешивали и культивировали, чтобы вырастить синтетические модели эмбрионов (SEM). Они росли сначала на планшете в лунках пирамидальной формы, затем на шейкере и наконец, в приборе с вращающимся барабаном. Авторы убедились, что SEM воспроизводят ключевые признаки эмбриогенеза постимплантационной стадии — 13-14 дней после оплодотворения. На этой стадии они  состоят примерно из 2500 клеток и имеют диаметр около 0,5 мм. Секвенирование РНК единичных клеток подтвердило, что клеточный состав SEM соответствует таковому у «естественных» эмбрионов.

Таким образом, получена модель на основе стволовых клеток (то есть не требующая использования оплодотворенных яйцеклеток или абортивного материала), которая делает возможным экспериментальное изучение ранее недоступных этапов эмбриогенеза человека — периимплантационного и раннего постимплантационного. «Проверка, могут ли описанные здесь человеческие SEM развиваться дальше до завершения гаструляции и инициации органогенеза, как это достигается с помощью мышиных SEM, может иметь критическое экспериментальное значение и открыть возможности для изучения ранее недоступных окон раннего развития человека», — говорится в статье.