Вскоре после оплодотворения яйцеклетка начинает активно делиться, превращаясь в микрошарик из эмбриональных стволовых клеток. Потенциально они способны размножаться и размножаться без конца, однако в эмбрионе у них задача другая – эмбриональные стволовые клетки должны дать начало целому ряду специализированных клеток, формирующих ткани и органы.

Но зародыш существует не сам по себе, ему нужно питаться, избавляться от продуктов обмена, дышать и т. д. Поэтому в эмбрионе есть другие разновидности стволовых клеток, которые не заняты непосредственно в «постройке» организма, а выполняют служебные функции – это трофобластные стволовые клетки, которые дают начало плаценте, и эндодермные стволовые клетки, из которых получается желточный мешок.

Через плаценту эмбрион получает от самки и кислород, и питательные вещества. Желточный мешок, как понятно из названия, должен хранить желток, переваривать его и снабжать питательными веществами зародыш. У млекопитающих желточный мешок свою «кормящую» функцию почти утратил, однако вовсе не исчез.

Он синтезирует некоторые важные белки, необходимые для правильного развития эмбриона, в нем до какого-то момента рождаются красные кровные клетки, и вообще в ходе внутриутробного развития он выполняет самые разные задачи до тех пор, пока в зародыше не заработают специальные системы органов.

Как видим, эмбрион – это не просто скопление однотипных клеток, которые сначала бурно делятся, а потом превращаются в ткани и органы; для нормального развития в нем должны быть еще и вспомогательные клетки. И их роль – не просто сформировать плаценту и желточный мешок. На деле успешное развитие зародыша зависит от того, как расположены эти клетки друг относительно друга, как они общаются молекулярными сигналами и как координируют действия друг друга. И если мы хотим создать эмбрион, собрав его из клеток, как конструктор, то у нас ничего не выйдет, если мы просто слепим клетки в ком и окунем их в питательную среду.

В статье в Science исследователи из Кембриджа сообщают, что они собрали мышиный зародыш из двух типов клеток, эмбриональных стволовых и трофобластных (из которых получается плацента). И те, и другие располагались на особой трехмерной матрице, приспособленной для прикрепления и роста клеток – сидя на такой конструкции, клетки имели возможность общаться между собой, находясь в упорядоченном сообществе.

При обычном развитии эмбриона млекопитающих, оплодотворенная яйцеклетка многократно делится, образуя эмбриональные стволовые клетки. Спустя некоторое время, когда наступает стадия бластоцисты, в составе эмбриона выделяются две группы клеток. Одна из них (эмбриобласт) образована клетками, которые в будущем образуют тело нового живого существа, другая (трофобласт) даст начало плаценте, с помощью которой эмбрион прикрепится к стенке матки и будет получать питание. На стадии бластоцисты эмбрион имеет вид полого шарика (у человека его диаметр равен примерно одной десятой миллиметра). Оболочку этого шарика образуют клетки трофобласта, а клетки эмбриобласта скапливаются внутри, возле одного из его полюсов.

В предыдущих попытках вырастить искусственный эмбрион, не прибегая к искусственному оплодотворению или клонированию, использовались только стволовые клетки эмбриобласта. В результате не удавалось получить структуру, хотя бы отчасти напоминающую эмбрион на ранней стадии развития, так как в этот период требуется, чтобы разные типы клеток координировали тесное взаимодействие друг с другом.

В новом исследовании авторы использовали не только стволовые клетки эмбриобласта, но и трофобластные стволовые клетки (их также называют экстраэмбриональными стволовыми клетками), а также внеклеточный матрикс, который должен был обеспечить трехмерную структуру эмбриона.

Внеклеточный матрикс – это каркас любого органа, окружающий каждую клетку. Обычно он состоит из коллагена и других гликопротеинов, протеогликанов и гиалуроновой кислоты. В последние несколько лет матрикс все чаще используется в экспериментах по созданию новых органов. Разработан способ вымывать все клетки из матрикса, оставляя сам каркас неповрежденным. После этого материкс заселяется стволовыми клетками, которые формируют орган. Это может найти применение в трансплантологии, когда донорский орган нельзя пересадить пациенту напрямую из-за иммунного отторжения, но можно взять матрикс, удалить из него клетки донора (сам по себе матрикс иммунного ответа не вызывает) и заполнить стволовыми клетками реципиента.

В данном случае матрикс был заселен трофобластными и эмбриобластными стволовыми клетками. В результате ученые смогли вырастить структуру способную к самостоятельному развитию, причем ее строение было весьма близко к естественному зародышу мыши. «И эмбриональные, и внеэмбриональные клетки начинают говорить друг с другом и становятся организованными в структуру, которая выглядит и ведет себя как эмбрион, – объясняет профессор Магдалена Зерницка-Гетц (Magdalena Zernicka-Goetz) из отделения физиологии, развития и неврологии, которая возглавляла исследование. – Он имеет анатомически правильные регионы, которые развиваются в нужном месте и в нужное время».

Как обнаружили Зерницка-Гетц и ее коллеги, в процессе развития структуры искусственного эмбриона разные типы стволовых клеток проявляют удивительную степень взаимодействия, в каком-то смысле они подсказывают друг другу, в каком месте эмбриона им надлежит оказаться. Трофобластные и эмбриобластные стволовые клетки, использованные в этом эксперименте, были генетически модифицированы: в них были внедрены гены флуоресцентных белков разного цвета, что позволяло следить за их положением.

Сконструированный из стволовых клеток эмбрион через 96 часов. Трофобластные клетки светят темно-синим, эмбриобластные – пурпурным, межклеточный матрикс – голубым

Известно, что разные части эмбриона довольно быстро начинают отличаться друг от друга – где-то клетки формируют одни структуры, где-то другие. По словам авторов работы, в их эксперименте эмбрион-«конструктор» вел себя так же, как и нормальный эмбрион: клетки, которые могли общаться в нужное время, в нужном месте и нужными сигналами, складывались в правильные клеточные структуры. Вместе эмбриональные стволовые клетки и трофобластные стволовые клетки даже начали формировать амниотический мешок – одну из обязательных зародышевых оболочек эмбриона млекопитающих.

Сначала эмбриональные стволовые клетки сконцентрировались на одной стороне матрикса, а трофобластные – на противоположной. Затем внутри каждого скопления клеток возникла внутренняя полость. На следующей стадии обе внутренних полости слились, образовав протоамниотическую полость, в которой должно проходить дальнейшее развитие эмбриона. Все эти стадии соответствуют естественному развитию мышиного зародыша. На последнем этапе эксперимента на соответствующем месте внутри искусственного зародыша даже образовались клетки, сходные с примордиальными половыми клетками эмбриона, из которых в дальнейшем должны получиться яйцеклетки или сперматозоиды.

Схема развития зародыша мыши после оплодотворения и развития искусственного зародыша из стволовых клеток и внеклеточного матрикса

Хотя этот искусственный эмбрион очень похож на настоящий, пока он не способен развиваться дальше в здоровый плод. В нынешнем эксперименте развитие эмбриональной структуры продолжалось четыре дня, так как далее искусственному эмбриону не от куда было получать кислород и питательные вещества. Чтобы продолжить его развитие в последующих экспериментах понадобится третья форма стволовых клеткок, которые должны образовать особый орган – желточный мешок, обеспечивающий питание эмбриона. При естественном развитии стволовые клетки желточного мешка возникают из клеток эмбриобласта. Также будет необходимо добиться правильного развития плаценты.

Слева эмбрион из стволовых клеток через 96 часов, справа – выращенный in vitro эмбрион через 48 часов после стадии бластоцисты

Недавно Магдалена Зерницка-Гетц разработала методику, которая позволяет бластоцистам развиваться in vitro после стадии имплантации, благодаря чему исследователи впервые смогут проанализировать ключевые стадии развития человеческого эмбриона в течение после оплодотворения (подобные исследования на больших сроках во многих странах запрещены законодательно). Нынешний результат поможет преодолеть один из главных барьеров в исследованиях эмбрионов человека: нехватку эмбрионов. Пока все исследования проводятся на эмбрионах, которые развиваются из яйцеклеток, полученных из клиник репродуктивной медицины. «Мы думаем, что можно будет имитировать много событий развития, происходящих до 14 дней, используя человеческие эмбриональные и экстра-эмбриональные стволовые клетки и подход, близкий к нашей методике с использованием стволовых клеток мышей, – говорит Магдалена Зерницка-Гетц. – Мы ожидаем, что это позволит нам изучить ключевые события этого критического этапа развития человека, не прибегая к работе с эмбрионами. Зная, как развитие обычно происходит, мы сможем понять, почему он так часто идет не так ».

Кто-то может спросить – а как же третий тип эмбриональных клеток, из которых получается желточный мешок? Их к искусственному эмбриону не добавляли, и именно поэтому никто не ждал, что его развитие пойдет достаточно далеко. Но поскольку теперь известно, что из двух других клеточных типов вполне можно создать зародышеподобные структуры, то в ближайшей перспективе, скорее всего, опыт повторят уже со всем клетками вместе.

До сих пор исследователям, занимающимся эмбриональным развитием, приходилось получать эмбрионы естественным путем, а это не всегда просто, особенно, если речь идет о человеке, а не о мыши. Такие эмбриональные конструкторы, возможно, как раз помогут нам узнать больше о том, как живет зародыш на разных этапах своего развития и как можно, если что-то идет не так, предотвратить развитие врожденных патологий.