Европейские ученые создали зародышевые структуры, которые имитируют важную, но загадочную стадию развития человека. Структуры, созданные из стволовых клеток и называемые гаструлоидами, являются первыми, которые формируют трехмерную сборку, которая определяет форму тела. У гаструлоидов развивались рудиментарные компоненты сердца и нервной системы, но в них не было компонентов для формирования мозга и других типов клеток, которые делали бы их жизнеспособным плодом.
Исследователи создают все более сложные искусственные структуры для изучения развития эмбрионов в лаборатории
Последний метод создания этих структур может пролить свет на причины прерывания беременности и ранних нарушений развития, таких как врожденные пороки сердца и расщелина позвоночника. Искусственные структуры позволяют избежать этических проблем при проведении исследований на человеческих эмбрионах. Но по мере того как структуры становятся более продвинутыми и похожими на жизнь, они также могут раздвинуть этические границы, говорят ученые.
План развития эмбриона
Человеческие эмбрионы совершают важный скачок на своей третьей неделе, когда в значительной степени гомогенный клубок клеток начинает дифференцироваться и развивать специфические характеристики частей тела, которыми они станут. Это процесс, известный как гаструляция. Во время этого процесса эмбрион удлиняется и устанавливает план тела с головой и хвостом, часто называемым осью.
Но ученые никогда не видели этот процесс в действии. Отчасти это связано с тем, что во многих странах действуют правила, запрещающие выращивание эмбрионов в лаборатории для проведения исследований в течение 14 дней после зачатия.
За прошедший год несколько исследовательских групп культивировали структуры эмбриональных стволовых клеток, которые моделируются, когда клетки начинают дифференцироваться. Последняя модель, разработанная Наоми Морис и Альфонсо Мартинесом Ариасом, биологами развития в Кембриджском университете, Великобритания, и их коллегами в Нидерландах, является первой, чтобы показать, что происходит, когда вырабатывается план развития тела через 18–21 день после зачатия.
«Это открытие поможет нам понять важнейшие механизмы планирования человеческого тела, это новая наука», — говорит Ли Тяньцин, биолог-разработчик из Института трансляционной медицины приматов в Юньнани, Китай, который также работает над структурами, подобными эмбрионам.
Морис говорит, что самым захватывающим результатом было образование карманов клеток, которые симметрично расположены по оси «голова к хвосту». Генетический анализ показал, что это те клетки, которые в конце концов будут формировать мышцы в туловище, позвонках, сердце и других органах.
Идеальные условия
За последние пять лет команда использовала свой опыт создания гаструлоидов из эмбриональных стволовых клеток мышей для разработки структур с использованием клеток человека.
По словам ученых, команде потребовалось два года, чтобы выработать правильные условия. Значительным достижением стало то, что обработка их химическим веществом под названием "Хирон" ускорила их разработку. Затем исследователи разделили клетки и поместили их в специальный колодец.
"Если все сделано правильно, клетки сами по себе превращаются в трехмерные структуры, а затем самопроизвольно имитируют процесс гаструляции", - говорит Морис, который с тех пор создал сотни человеческих гаструлоидов и говорит, что они работают почти 70 % времени.
Взгляд в будущее
Вероятно, ученые будут использовать эту модель для создания структур, которые являются еще более реалистичными представлениями о раннем развитии. В следующие 5–10 лет они могут добавить клетки, которые будут имитировать плаценту. Они также ожидают увидеть гаструлоиды с биением сердца. В матке сердце зародыша начинает биться примерно через 22 дня. И хотя структуры еще не разработали компоненты для развития мозга, Ариас считает, что блокирование определенного молекулярного сигнала может привести к росту рудиментарного органа.
Такие эксперименты будут расширять этические границы и ставить вопрос о том, могут ли эти структуры превратиться в жизнеспособные зародыши. «Мы должны быть осторожны, чтобы не начать создавать человеческие эмбрионы, иначе пострадает этика» - говорят ученые.
