Без спермы и яйцеклетки: ученые вырастили полную модель человеческого эмбриона, неотличимую от настоящего

Модель эмбриона. Фото: Weizmann Institute of Science

Ученым в Израиле удалось создать миниатюрный живой организм, практически неотличимый от человеческого эмбриона на ранних этапах его развития.

Впрочем, в отличие от настоящего зародыша, который образуется при слиянии сперматозоида с яйцеклеткой и прикрепляется к стенке матки, для создания его «лабораторной копии» не понадобилось ни того, ни другого, ни третьего.

По словам ученых из израильского Института Вейцмана, «модель эмбриона», выращенная ими из стволовых клеток, выглядит абсолютно хрестоматийно - ровно так, как здоровый человеческий зародыш спустя две недели после зачатия.

В процессе роста он даже произвел гормоны, которые ученые используют для установления факта беременности при проведении теста на беременность. Анализ на беременность, проведенный в лаборатории, показал положительный результат.

Ученые создают модели эмбрионов для того, чтобы изучать самые первые дни после зарождения новой человеческой жизни и делать это наиболее этически приемлемым способом.

В первые недели после того, как сперматозоид оплодотворил яйцеклетку, происходят самые драматические события, которые будут иметь колоссальное значение для будущего человека. Именно в это время скопление практически одинаковых клеток без определенной функции трансформируется в то, что на последующих ультразвуковых сканах уже можно распознать как ребенка.

Но в это решающее время также происходит большинство выкидышей и закладываются врожденные дефекты будущего организма, и оно при этом очень плохо изучено.

«Это - черный ящик, и это не клише - наши знания очень ограничены», - говорит мне профессор Джейкоб Ханна из Института Вейцмана в Израиле.

Исходный материал

Путь исследователей человеческих эмбрионов полон юридических, этических и технических ловушек. Именно поэтому в науке появилось быстро развивающееся направление, имитирующее естественное развитие эмбрионов человека.

Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature. Его авторы говорят, что им удалось создать первую «полную» модель эмбриона, имитирующую все основные структуры, возникающие на ранней стадии его развития.

«Это действительно хрестоматийное изображение человеческого эмбриона в возрасте 14 дней», - говорит профессор Ханна. По его словам, ничего подобного «раньше никто не делал».

Вместо спермы и яйцеклетки исходным материалом послужили так называемые наивные стволовые клетки, которые с помощью ряда химических веществ перепрограммировали так, что они превратились в четыре типа клеток, образующихся на самой ранней стадии развития человеческого эмбриона:

• клетки эпибласта, которые становятся собственно эмбрионом (или плодом)
• клетки трофобласта, которые становятся плацентой
• клетки гипобласта, которые становятся поддерживающим желточным мешком
• внеэмбриональные клетки мезодермы

Всего ученые смешали 120 таких клеток в нужной пропорции, а потом оставили их в покое и стали наблюдать.

Около 1% смеси стали самопроизвольно собираться в структуру, напоминающую человеческий эмбрион, хотя и не идентичную ему.

«Я отдаю клеткам должное: достаточно создать правильную смесь и поместить ее в правильную среду, и тогда у них все получится, - говорит профессор Ханна. - Это удивительное явление».

Моделям эмбрионов дали расти и развиваться до тех пор, пока они не стали сравнимы с обычным человеческим эмбрионом на14-й день после оплодотворения. Во многих странах это законодательно установленный предел, после которого обычные человеческие эмбрионы использовать в исследованиях больше нельзя. (После 14-го дня наступает процесс гаструляции, когда собственно закладываются особенности будущего организма. С этого момента, например, образование близнецов становится невозможным.)

Несмотря на мой поздний видеозвонок, профессор Ханна с нескрываемой страстью в голосе проводит для меня экскурсию по трехмерной «изысканной архитектуре» модели эмбриона.

Я вижу трофобласт, верхний слой бластоциста, который при нормальном развитии стал бы частью плаценты, питающей плод. В нем есть полости, называемые лакунами, через которые кровь матери несет питательные вещества ребенку.

Есть и желточный мешок, выполняющий некоторые функции печени и почек, а также двухслойный эмбриональный диск - один из ключевых признаков этой стадии развития эмбриона.

«Это имеет смысл»

Схема структуры бластоциста Фото: Zachary Wilson / CK-12 Foundation

Есть надежда, что модели эмбрионов помогут ученым понять, как именно возникают разные типы клеток, воочию наблюдать за самыми ранними этапами построения органов тела и объяснить происхождение наследственных и генетических заболеваний.

Даже это первое исследование уже показало, например, что другие части эмбриона просто не сформируются, если их не окружат клетки плаценты.

Есть мнение, что эти модели помогут улучшить результаты экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), если в результате медики смогут понять, почему некоторые эмбрионы развиваются, а некоторые - нет. Возможно, они пригодятся и для проверки влияния различных лекарств на ход беременности, чтобы определить, какие из них являются безопасными.

Профессор Робин Ловелл Бэдж, который изучает развитие эмбрионов в британском Институте Фрэнсиса Крика, сказал мне, что эти модели эмбрионов «выглядят довольно неплохо» и «вполне нормально».

«Я думаю, что это хорошо, я думаю, что это сделано очень хорошо, все это имеет смысл, и я нахожусь под большим впечатлением от этой работы», - отметил он.

Но пока что, по мнению профессора Бэджа, следует заняться тем, чтобы в модель стали собираться более чем 1% клеток. Уровень отказов в 99%, безусловно, надо улучшить. С таким количеством отказов трудно объяснить проблемы выкидышей и бесплодия, если в большинстве случаев модель просто не будет «собираться» сама собой.

Юридическое различие

Работа также поднимает вопрос о том, можно ли имитировать развитие эмбриона и после 14-дневной стадии.

Это не было бы противозаконным даже в Великобритании, поскольку модели эмбрионов юридически собственно эмбрионами не являются.

«Некоторые это приветствуют, но кому-то это не понравится», - говорит профессор Бэдж.

Профессор Альфонсо Мартинес Ариас факультета экспериментальных и медицинских наук Университета Помпеу Фабра в Барселоне отметил, что это «невероятно важное исследование».

«Этот эксперимент впервые дал возможность построить полную структуру [человеческого эмбриона] из стволовых клеток» в лаборатории, «таким образом открыв дверь для изучения тех процессов, которые приводят к формированию человеческого эмбриона, плана тела», сказал он.

Исследователи подчеркивают, что было бы неэтично, незаконно и просто физически невозможно достичь нормальной беременности с использованием этих моделей эмбрионов - эти 120 клеток просто не могут развиться до такой степени, чтобы их можно было успешно имплантировать в слизистую оболочку матки.