ЕЖЕНЕДЕЛЬНИК TVP: «Мышиные эмбрионы образовались без ооцита и сперматозоидов — зачем и что еще нас ждет?» – спросил недавно научный журнал Nature. Вы можете просто объяснить, что произошло?

АННА АЙДУК: «Искусственные эмбрионы» создавались в течение нескольких лет из стволовых клеток, обладающих способностью развиваться в различные другие типы клеток. Оказалось, что с их помощью можно «склеивать» (научно говоря — агрегировать) образования, напоминающие зародыши. Их называют по-разному: синтетические зародыши, искусственные зародыши или эмбриоиды.

Статья в Nature комментирует две недавние публикации на эту тему. Одна из Израиля, от команды Якоба Ханна из Института Вейцмана в Реховоте, а другой мы обязаны команде возглавляемой полькой Магдаленой Жерницкой-Гетц, которая пришла с кафедры эмбриологии Варшавского университета и много лет работает в Кембриджском университете в Великобритании, а в настоящее время также в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, США.

Первые эмбрионы были созданы около пяти лет назад, и команда Магды Жерницкой-Гетц с самого начала занималась этим исследованием. Эти искусственные напоминают строение обычных зародышей и многие процессы в них протекают сходным образом, благодаря чему они могут быть прекрасным инструментом для исследования механизмов эмбрионального развития и причин различных заболеваний, возникающих во внутриутробной жизни.

Стволовые клетки — это широкое понятие. О каких в данном случае идет речь?

Эмбриоиды состоят из плюрипотентных стволовых клеток, то есть стволовых клеток, которые могут развиваться во многие другие типы клеток. Проще всего их получить из эмбриона на очень ранней стадии развития (называемой бластоцистой) — непосредственно перед имплантацией в матку. В естественных условиях из них развиваются эмбриональные ткани, но не другие ткани, необходимые для развития, например плацента или некоторые плодные оболочки.

Сегодня удалось создать почти идеальный эмбриоид путем склеивания трех типов таких эмбриональных стволовых клеток. Один, который образует тело эмбриона и два, которые были изменены, чтобы стать клетками плаценты и одной из оболочек (желточного мешка) соответственно. Это было сделано с использованием мышиного, а не человеческого материала.

Что нового в работах из Кембриджа и Реховота, которыми они штурмовали научные СМИ?

Успех заключается в более длительном, чем когда-либо прежде, культивировании мышиных эмбриоидов и наблюдении за процессами, такими как формирование нервной системы или сердца. Ранее у нас не было возможности наблюдать их in vitro, поэтому мы не могли их детально изучить. Более того, до недавнего времени мышиные зародыши или эмбриоиды успешно поддерживались в искусственно созданных оптимальных условиях до шестого-седьмого дня развития. А в работах, о которых мы говорим, уже 8,5 дней. Разница кажется небольшой, но с научной точки зрения очень важной.

    Подписывайтесь на наш фейсбук  
  Ну да – ведь у мыши беременность длится 20 дней, так что еще немного и мы в инкубаторе доберемся до половины.

Здесь оказалось важным объединить стволовые клетки, способные продуцировать тело эмбриона, с теми, которые способны продуцировать внеэмбриональные структуры. Клетки, которые их создают, подают многочисленные сигналы, которые действуют как указатели, указывающие клеткам эмбриона, где им находиться, чтобы эмбрион знал, например, где его передняя часть и где его задняя часть. В этой фазе развития клетки не только интенсивно делятся (именно поэтому зародыш растет) и дифференцируются (благодаря чему образуется множество различных тканей), но и массово перемещаются, чтобы найти нужное им место.

Вторая техническая новинка — это специальный инкубатор из Института Вейцмана.

Обычно развитие таких зародышей происходит в утробе матери, поэтому для их изучения эти зародыши должны быть взяты у животных. Эмбриоиды, с другой стороны, позволяют проводить исследования без необходимости жертвовать для этой цели беременными лабораторными животными. Однако для того, чтобы иметь возможность выращивать как естественные эмбрионы, так и эмбриоиды, требуется специальный инкубатор, в котором пробирки, содержащие эмбрионы, вращаются, чтобы обеспечить перемешивание и оксигенацию культуральной среды. Это необходимо, потому что по сравнению с классическими тканевыми культурами, которые просто высевают, эти эмбрионы представляют собой очень большие и быстрорастущие структуры.

Значит, это какая-то «искусственная матка», способная удерживать эмбрионы вне стадии формирования органов? Можно ли применить ее к людям?

Гораздо проще проводить такие эксперименты на эмбрионах мышей, развитие которых очень быстрое, а размеры эмбриона малы по сравнению с человеческими. Представим себе так: начнем с одноклеточных эмбрионов, которые у человека и мыши имеют схожие размеры, и закончим новорожденными, один из которых — человеческий — легко мог сомкнуть другого в ладони. Кроме того, человеческий эмбрион развивается более чем в десять раз дольше, чем мышиный. Таким образом, процессы развития, которые мы уже сегодня можем наблюдать у мышей в лабораторных условиях, все еще трудно наблюдать у людей. Эту техническую проблему трудно решить и сегодня.

Могут ли эмбриоиды развиться во взрослых особей?

Нет. Даже если бы мы захотели, в настоящее время мы не можем завершить их развите до конца.

Не в этой «искусственной вращающейся матке». А что, если бы их имплантировали в настоящие матки?

Мы не можем их имплантировать. По той простой причине, что момент внедрения в развитие строго определен и очень короток. Кроме того, эмбриоиды не могут должным образом имплантироваться в матку, даже если их развитие остановлено на более ранней стадии, когда эмбрион обычно имплантируется в матку. Хотя «на глаз», и даже на глаз, вооруженный солидным микроскопом и методами молекулярного анализа, они напоминают естественные, возникшие в результате оплодотворения. Видимо, хоть и похожи, но разные. Дьявол кроется в деталях. Кроме того, как научное сообщество в своих рекомендациях, так и закон запрещают трансплантацию искусственных эмбрионов в матку человека, а также трансплантацию эмбрионов человека в матку других млекопитающих.

Значит эти «зародышеподобные образования», как Вы их называете, каким-то образом и по непонятным причинам слабее естественно сформировавшихся зародышей?

Каждый день культивирования in vitro негативно влияет на самочувствие как эмбриона, так и эмбриоида. Эмбриону всегда лучше в организме самки, чем в искусственно созданных условиях размножения, даже если последние годами оптимизировались. Кроме того, склеивание нескольких видов стволовых клеток не позволяет идеально воспроизвести естественные процессы развития эмбриона.

Зачем нам нужны такие модели зародышей, помимо «чистой науки»?

Эти модели можно использовать для проверки токсичности различных веществ, например лекарств, для изучения их биологической активности или влияния на раннее эмбриональное развитие. Сейчас не всегда есть возможность проверить влияние препарата на развитие плода, поэтому многие терапевтические средства противопоказаны беременным. В будущем здесь могут помочь эмбриоиды.

Однако у меня есть проблема с пониманием эмбриоидов, а также других органоидов, все чаще и чаще используемых в биомедицинских науках, даже в виде так называемого минимозга. Эмбриология нас однако всегда учила, что эмбрион — это нечто особенное...

Это очень важный вопрос: следует ли относиться к эмбриоиду как к нормальному эмбриону? А если нет, то в чем здесь отличие? Где находится граница, если мы продолжаем совершенствовать эту технику и однажды окажется, что эмбриоиды совершенно неотличимы структурно, молекулярно и в остальном от эмбрионов, полученных в результате оплодотворения? Должны ли они в таком случае быть наделены «эмбриональными правами»?

Регулирующие органы и научная общественность в различных рекомендациях обычно используют простое разграничение: истинный эмбрион – это то, что образуется от союза двух гамет – сперматозоида и яйцеклетки. Трудно определить другие критерии истинного эмбриона. Пока все указывает на то, что эмбриоиды не обладают полным потенциалом развития, т.е. не способны развиться в зрелый организм. Они по-прежнему представляют собой упрощенную модель эмбрионального развития. Мы будем иметь дело с этим в течение следующих нескольких десятков лет.

Одно из решений может состоять в том, чтобы заставить эмбриоиды никогда не достигать полной способности развития, используя методы молекулярной биологии. Например, использовать для их конструирования стволовые клетки с дефектом, который вызовет гибель такого эмбриона на определенной стадии развития. Это можно сделать таким образом, чтобы не мешать процессам, которые мы хотим изучить благодаря такой модели.

Рекомендации, разработанные, подозреваю, в 1980-х годах независимо друг от друга в США и Великобритании, блокировали культивирование эмбрионов человека вне организма матери на стадии 14 дней.

Техники экстракорпорального культивирования эмбрионов получили там наиболее сильное развитие в связи с допустимостью и популярностью экстракорпорального оплодотворения. Однако в недавних рекомендациях Международного общества исследований стволовых клеток утверждается, что правило 14 дней следует сделать более гибким. Правда в том, что эти 14 дней были выбраны исходя из того, что «мы все равно не сможем выращивать человеческие эмбрионы такой длины, так что…». Теперь, когда выяснилось, что мы способны выращивать эмбрионы человека до 14-го дня развития, ученые хотели бы изучить последующие эмбриональные процессы. Аппетит растет во время еды.

Здесь стоит отметить, что нормально имплантация человеческого эмбриона происходит на седьмой-десятый день после оплодотворения.

На 14-й день начинается процесс, называемый гаструляцией, который имеет решающее значение для дальнейшего развития зародыша. Поэтому научное сообщество стало настаивать на преодолении этого 14-дневного барьера. Только опять: на сколько? На 3, 7, 10 день? Консенсуса найти не удалось, поэтому в последних рекомендациях предлагается, чтобы каждый эксперимент, в котором исследователи хотели бы выращивать человеческие эмбрионы дольше 14 дней, подвергался тщательной содержательной оценке. Только эксперименты, которые имеют шанс действительно значительно расширить наши знания, и в то же время невозможные для выполнения каким-либо другим образом, будут допущены к продлению разведения таким образом. Напомним, что возможность работы с человеческими эмбрионами существует лишь в нескольких странах. Это незаконно в Польше, и эта дискуссия, по сути, совершенно вне нас.

Так или иначе, вышеперечисленные рекомендации также пытаются регламентировать правила работы со стволовыми клетками, эмбриональными плюрипотентными клетками (теми, из которых могут быть получены любые клетки организма), как в контексте создания эмбриоидов, так и в других областях применения. Например, предпринимаются попытки получить из них гаметы, т. е. яйцеклетки и сперматозоиды.

Ученые подчеркивают, что любые изменения в законодательстве в этом вопросе должны быть связаны с доведением до населения как рисков, связанных с этими технологиями, так и, на мой взгляд, огромных преимуществ. Правила должны быть разработаны так, чтобы соответствовать тому, что общество считает этическим. Для ученых очевидно, что если они будут двигаться слишком быстро в своих исследованиях, они могут вызвать общественный страх и негодование, что в конечном итоге приведет к запрету их исследований.

Такая реакция может быть вызвана страхом или тем, что исследователи сделают прорыв раньше, к чему не будут готовы законодатели и биоэтики.

Создание искусственных эмбрионов — это не первая технология, вызывающая у нас озабоченность. И не первая, которой мы восхищаемся и много обещаем себе после нее. Так было и в случае с клонированием млекопитающих. Опасались, что после рождения овечки Долли вскоре появятся клонированные люди и… прошла четверть века и ничего. Техника клонирования по-прежнему очень сложна и эффективна. Кроме того, существует широко распространенная юридическая блокада подобных экспериментов с человеческими клетками. Будет ли то же самое и с методами, о которых мы говорим сегодня, с использованием эмбриональных стволовых клеток, я не знаю. Время покажет.

–Беседовала Магдалена Кавалец-Сегонд

TVP ЕЖЕНЕДЕЛЬНИК. Редакторы и авторы

  –Перевод Надин Алейник

Доктор Анна Айдук — профессор Варшавского университета, кафедра эмбриологии, Институт биологии развития и биомедицинских наук, факультет биологии.

Источники:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00981-3
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05246-3