Откроют ли синтетические эмбрионы эру искусственных органов?   

Ученые воспроизвели в лаборатории естественный процесс эмбрионального развития млекопитающих вплоть до развития мозга и сердца. Используя стволовые клетки, исследователи создали синтетические эмбрионы мышей вне матки, которые повторяли естественный процесс развития в утробе матери до 8.5 дня. Это веха в синтетической биологии. В будущем это будет служить ориентиром для исследований синтетических эмбрионов человека, которые, в свою очередь, могли бы положил начало разработке и производству синтетических органов для пациентов, ожидающих трансплантации. 

Эмбрион обычно понимается как промежуточная стадия развития в последовательном естественном явлении размножения, инициируемом сперматозоидом, встречающимся с яйцеклеткой, с образованием зиготы, которая делится, чтобы стать эмбрион, с последующим развитием в плод и новорожденного по завершении беременности.  

Достижения в эмбриональной клетке ядерный перенос видел случай пропуска этапа оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. В 1984 году из яйца был создан эмбрион, в котором его исходное гаплоидное ядро ​​​​было удалено и заменено ядром донорской эмбриональной клетки, которая успешно прошла развитие в суррогатной матери, чтобы родить первого клонированного детеныша овцы. Благодаря усовершенствованию метода переноса ядер соматических клеток (SCNT) овечка Долли была создана в 1996 году из зрелой взрослой клетки. Это был первый случай клонирования млекопитающего из взрослой клетки. Случай Долли также открыл возможность разработки персонализированных стволовых клеток. В обоих случаях сперма не использовалась, однако именно яйцеклетка (с замещенным ядром) превратилась в эмбрион. Таким образом, эти эмбрионы все еще были естественными.  

Могут ли эмбрионы создаваться без участия даже яйцеклетки? Если это так, то такие эмбрионы будут синтетическими в той мере, в какой не будут использоваться гаметы (половые клетки). В наши дни такие эмбрионы (или «эмбриоподобные» или эмбриоиды) обычно создаются с использованием эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) и культивируются. в пробирке в лаборатории.  

Среди млекопитающих мышам требуется относительно короткий период (19-21 день) для размножения, что делает мышиный эмбрион удобной моделью для изучения. Из общего числа предимплантационный период составляет около 4-5 дней, а остальные 15 дней (около 75% от общего числа) — после имплантации. Для постимплантационного развития эмбрион должен имплантироваться в полость матки, что делает ее недоступной для постороннего наблюдения. Эта зависимость от материнской матки создает барьер в исследовании.    

2017 год стал знаменательным в истории культивирования эмбрионов млекопитающих. Усилия по созданию синтетических эмбрионов мыши получили поддержку, когда исследователи ясно продемонстрировали, что эмбриональные стволовые клетки обладают способностью к самосборке и самоорганизации. в пробирке чтобы дать начало эмбрионоподобным структурам, которые во многом напоминали естественные эмбрионы^1,2. Однако существовали ограничения, вытекающие из утробный барьеры. Культивирование предимплантационного эмбриона является обычным делом. в пробирке но какая-либо надежная платформа для ex-utero культуры постимплантационного эмбриона мыши (от стадий цилиндра яйца до продвинутого органогенеза) была недоступна. Прорыв в решении этой проблемы произошел в прошлом году, в 2021 году, когда исследовательская группа представила культуральную платформу, которая была эффективна для постимплантационного развития эмбриона мыши вне материнской матки. Было обнаружено, что эмбрион, выращенный на этой платформе ex utero, точно повторяет i.внутриутробно способствовали³. Эта разработка преодолела барьеры матки и позволила исследователям лучше понять постимплантационный морфогенез и, таким образом, помогла проекту синтетического эмбриона выйти на продвинутую стадию. 

Теперь две исследовательские группы сообщили о выращивании синтетического эмбриона мыши в течение 8.5 дней, что на данный момент является самым продолжительным сроком. Этого было достаточно долго, чтобы отчетливо органов (например, работающее сердце, кишечная трубка, нервная складка и т. д.). Этот последний прогресс действительно поразителен.  

Как сообщалось в Cell от 1 августа 2022 года, исследовательская группа создала синтетические эмбрионы мышей, используя только наивные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) вне материнской матки. Они объединили стволовые клетки и обработали их, используя недавно разработанную платформу для культивирования. внеутробный роста для получения постгаструляционного синтетического цельного эмбриона как с эмбриональным, так и с внеэмбриональным компартментами. Синтетический эмбрион удовлетворительно достиг вех для 8.5-дневной стадии эмбрионов мыши. Это исследование подчеркивает способность наивных плюрипотентных клеток к самосборке и самоорганизации и моделированию всего эмбриона млекопитающих за пределами гаструляции.⁴. 

В последнем исследовании, опубликованном в журнале Nature 25 августа 2022 года, исследователи также использовали экстраэмбриональные стволовые клетки для расширения потенциала развития эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). Они собрали синтетические эмбрионы in vitro с использованием мышиных ESCs, TSCs и клеток iXEN, которые повторяли естественное полное эмбриональное развитие мыши в матке до 8.5 дня. У этого синтетического эмбриона были определенные области переднего и среднего мозга, структура, напоминающая бьющееся сердце, туловище, содержащее нервную трубку, хвостовой зачаток, содержащий нейромезодермальные предшественники, кишечная трубка и первичные зародышевые клетки. Все это было внутри внезародышевого мешка⁵. Таким образом, в этом исследовании органогенез был более продвинутым и замечательным по сравнению с исследованием, опубликованным в журнале Cell 1 августа 2022 года. Возможно, использование двух типов внеэмбриональных стволовых клеток увеличило потенциал развития эмбриональных стволовых клеток в этом исследовании. Интересно, что в более раннем исследовании использовались только наивные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК).  

Эти достижения действительно замечательны, так как это самая дальняя точка в исследованиях синтетических эмбрионов млекопитающих. Возможность создать мозг млекопитающего была главной целью синтетической биологии. Воссоздание естественного процесса постимплантационного эмбрионального развития в лаборатории преодолевает маточный барьер и позволяет исследователям изучать самые ранние стадии жизни, которые обычно скрыты в матке.  

Несмотря на этические проблемы, достижения в исследованиях синтетических эмбрионов мышей будут определять направление исследований синтетических эмбрионов человека в ближайшем будущем, что может привести к разработке и производству синтетических органов для пациентов, ожидающих трансплантации.  

Ссылки:  

1. Харрисон СЭ и др. 2017. Сборка эмбриональных и экстраэмбриональных стволовых клеток для имитации эмбриогенеза in vitro. НАУКА. 2 марта 2017 г. Том 356, выпуск 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Синтетические эмбрионы: окна в развитие млекопитающих. Клетка Стволовая клетка. Том 20, выпуск 5, 4 мая 2017 г., страницы 581–582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Агилера-Кастрехон, А., и другие 2021. Эмбриогенез мыши ex utero от прегаструляции до позднего органогенеза. Природа 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Тарази С., и др. 2022. Постгаструляционные синтетические эмбрионы, полученные ex utero из интактных ЭСК мышей. Клетка. Опубликовано: 01 августа 2022 г. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Амадей, Г., и др. 2022. Синтетические эмбрионы завершают гаструляцию до нейруляции и органогенеза. Опубликовано: 25 августа 2022 г. Природа. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3