Ученые вырастили из стволовых клеток структуру, похожую на эмбрион человека

Впервые ученым удалось вырастить из стволовых клеток структуру, которая по своему поведению и устройству похожа на первые фазы развития эмбриона. Статью с описанием исследования британских специалистов опубликовал научный журнал Nature.

«Наша модель воспроизводит часть программы развития человека. Было невероятно интересно проследить за теми процессами, которые раньше были скрыты от взора человека и были недоступны для экспериментального изучения», — сообщил один из авторов исследования профессор Кембриджского университета Альфонсо Мартинез-Ариас.

В последние годы ученые стали активно интересоваться тем, как устроена и как работает генетическая программа развития, которая превращает оплодотворенную яйцеклетку в зародыш, плаценту и другие важнейшие компоненты плода. Если ученые узнают, как возникают сбои в этой программе, то можно будет понять, как возникают многие формы бесплодия, а также узнать механизмы появления многих серьезных врожденных болезней.

Первые опыты на зародышах мышей и обезьян показали, что наблюдения за развитием эмбрионов этих животных не помогут ученым понять что-то определенное. Поэтому исследователи ищут альтернативные способы. К примеру, три года назад британские и корейские генетики провели первый в мире эксперимент по редактированию ДНК жизнеспособных человеческих яйцеклеток, в ходе которого они отключили один из ключевых генов, связанный с работой программы развития человека.

Мартинез-Ариас и его коллеги придумали, как проводить подобные опыты на менее противоречивом материале. С помощью разработанной ими методики можно выращивать из стволовых клеток структуры, которые по своему устройству и поведению похожи на одну из первых форм эмбриона — так называемую гаструлу.

Гаструла состоит из трех отдельных слоев клеток — эктодермы, мезодермы и эндодермы, которые служат основой для формирования всех важнейших частей тела человека. Первая ткань — это «стройматериал» для нервной системы и кожи, вторая — для мускулов, а последняя — для кишечника и внутренних органов.

Процесс формирования гаструлы и особенности ее развития до сих пор остаются загадкой для биологов. Дело в том, что из-за современных правовых норм ученые не могут проводить эксперименты на эмбрионах, которые прожили более двух недель. Британские исследователи обошли эту проблему, открыв набор молекул, с помощью которых культуры стволовых клеток можно превращать в аналог гаструлы.

Для этого ученые выяснили, какие гены активируются при формировании гаструлы в зародышах мышей, и попытались воспроизвести аналогичную среду в культуре человеческих стволовых клеток. Как оказалось, их можно заставить превратиться в аналог гаструлы, если вырастить культуру стволовых клеток определенной плотности и обработать их веществом, которое блокирует работу гена GSK3 В.

Этот участок ДНК служит своеобразным стоп-сигналом, который мешает стволовым клеткам превращаться в различные типы «заготовок» тканей тела, в том числе и в три типа эмбриональных тканей гаструлы. После того как исследователи блокировали его, всего за несколько часов стволовые клетки начинали превращаться в миниатюрные подобия гаструлы с четко выраженной трехслойной структурой и вытянутой формой.

Измерив активность генов в «голове» и «хвосте» гаструлы, ученые обнаружили характерные различия в их работе, которые свойственны для программ развития других млекопитающих. Что интересно, ученые обнаружили группы клеток-«заготовок» мышц, кожи, костей и хрящей, однако внутри этих искусственных гаструл не было клеток, которые могли бы превращаться в нейроны.

С одной стороны, это ставит перед учеными новые вопросы о том, как различается программа развития зародышей человека и других животных. С другой стороны, отсутствие нервных клеток снимает множество этических вопросов, в том числе опасения о том, что такие искусственные эмбрионы можно будет выращивать до самых последних стадий развития.