Модель эмбриона человека вырастили из стволовых клеток

Ученые вырастили из эмбриональных стволовых клеток человека (ЭСК) структуру, имитирующую 21-дневную стадию развития эмбриона. Статья об этом опубликована в журнале Nature. Эта структура — гаструлоид — клеточная трехмерная модель ранних стадий эмбриогенеза человека, на которой можно изучать, как через экспрессию определенных генов реализуется план строения тела.

Важнейшая стадия эмбриогенеза — гаструляция, в ходе которой гомогенный шарик из клеток начинает дифференцироваться, образуя три зародышевых листка — эктодерму, мезодерму и энтодерму. Впоследствии они дают начало всем системам органов. У человека этот процесс происходит на третьей неделе после оплодотворения. Изучение его in vitro сталкивается с ограничениями как технического, так и этического характера: в законодательстве большинства стран существует норма, ограничивающая развитие человеческого эмбриона в лаборатории сроком в 14 дней.

Эмбриологи из Кембриджского университета в Великобритании с коллегами из Нидерландов и Испании подобрали такие условия культивирования ЭСК, при которых они спонтанно начинают дифференцироваться и образуют гаструлоид — трехмерную модель эмбриона на стадии гаструляции. Ранее они отработали эту методику на стволовых клетках мыши и выращивали мышиные гаструлоиды. Теперь же удалось вырастить гаструлоид из стволовых клеток человека.

Ключевой элемент методики — обработка ЭСК человека веществом под названием хирон (Chiron), агонистом Wnt-белка. Его добавляли к компактной колонии клеток числом около 400. После обработки клетки в течение нескольких часов формировали сферические агрегаты. Затем их радиальная симметрия нарушалась, и они удлинялись вдоль передне-задней оси. Большинство (66%) агрегатов трансформировались таким образом за 72 часа, а затем деформировались или деградировали, но некоторые сохраняли вытянутую форму до 96 часов.

На разных стадиях развития гаструлоидов ученые использовали иммунохимический анализ с антигенами на ключевые белки эмбриогенеза. Также они исследовали экспрессию генов путем секвенирования РНК в отдельных клетках. Анализ показал, что в процессе удлинения гаструлоида вдоль передне-задней оси на переднем его конце клетки экспрессируют белок GATA6, а на заднем конце — белок CDX2. Проследили и за тем, как в клетках начинают работать генные маркеры трех зародышевых листков. Сначала появляются клетки, экспрессирующие ген SOX2 (маркер эктодермы), затем клетки, экспрессирующие SOX17 (маркер энтодермы) и в последнюю очередь начинается экспрессия гена BRA (маркер мезодермы).

В гаструлоидах на стадии 72 часов авторы исследовали активность 1023 генов и нашли, что паттерны генной экспрессии соответствуют развитию трех зародышевых листков. В частности, работают гены так называемой кардиальной мезодермы, из которой в эмбрионе развивается сердце и кровеносная система. В мезодерме появляются признаки образования сомитов — сегментов вдоль продольной оси тела. Что касается эктодермы, то у гаструлоидов не обнаружили экспрессии генов, которые обеспечивают развитие передней части нервной трубки, иными словами, у них не было потенциала для развития мозга.

Ученые проанализировали биохимические механизмы, задействованные в развитии гаструлоида, и нашли, что для нормальной дифференцировки по передне-задней оси необходим баланс между сигнальными путями Nodal и WNT. Этот баланс можно нарушить добавлением ретиноевой кислоты. Очевидна критическая роль клеточной среды и межклеточной коммуникации в эмбриогенезе.

Паттерн генной экспрессии в гаструлоиде человека оказался очень сходным с таковым в гаструлоиде мыши. Следовательно, он связан с реализацией плана строения тела млекопитающего. Но нашлись и отличия — в гаструлоиде человека некоторые активные в определенных клетках гены оказались уникальными, значит, видовая специализация проявляется уже на этом уровне.

Ученые сравнили гаструлоид и с реальными эмбрионами человека. По стандартным стадиям Карнеги он соответствует переходу от стадии CS8 (17–19-й день развития) к стадии CS9 (19–21-й день развития). Ключевое отличие между этими стадиями состоит в том, что мезодерма сегментируется на сомиты вдоль продольной оси тела. Выращенный в эксперименте гаструлоид достигает этой стадии за 72 часа.

Важно, что у гаструлоида отсутствуют признаки потенциального развития мозга, а также развития внеэмбриональных структур, с помощью которых реальный эмбрион приобретает связь с материнским организмом. После четырех дней существования гаструлоиды разрушаются. Это снимает этические ограничения, связанные с культивированием жизнеспособных человеческих эмбрионов. Вместе с тем эта модель дает возможность изучать механизмы раннего эмбриогенеза и его нарушений, которые могут стать причиной невынашивания беременности. У эмбриологов есть планы по созданию гаструлоидов с бьющимся сердцем и имитацией плаценты.