В препринтах, опубликованных онлайн в четверг и пятницу на прошлой неделе, четыре исследовательские группы сообщили об использовании различных типов стволовых клеток человека для создания суррогатных эмбрионов, напоминающих настоящие эмбрионы возрастом до 14 дней, воспроизводя период человеческого развития, который очень трудно изучать.
Поток публикаций был вызван выступлением руководителя одной из групп Магдалены Зерницки-Гётц (Magdalena Zernicka-Goetz) из Кембриджского университета и Калифорнийского технологического института, которая в среду утром кратко описала результаты своей команды на встрече Международного общества исследований стволовых клеток в Бостоне. Биологи еще только оценивают представленные четырьмя коллективами работы, но уже появлись первые отклики. «Сходство с естественным эмбрионом поразительно, почти сверхъестественно», — говорит об одной из работ Джесси Винвлит из Института молекулярно-клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка.
Помимо изучения раннего развития человека, новые модели эмбрионов могут помочь исследователям лучше понять механизмы врожденных дефектов и исследовать безопасность лекарств, используемых во время беременности. Но они создают и новые проблемы. Закон Великобритании, например, запрещает исследования донорских эмбрионов, полученных в результате экстракорпорального оплодотворения, возраст которых превышает 14 дней. Но поскольку эти новые модели формируются из человеческих стволовых клеток, а не из яйцеклеток и сперматозоидов, этот закон к ним не применяется. Этический и моральный статус подобных творений также остается нерешенным.
Ученые ранее уже побуждали человеческие стволовые клетки формировать структуры, очень напоминающие бластоцисту — эмбриональную стадию, которая наступает примерно через пять дней после оплодотворения и имплантации эмбриона в матке. Такие имитации бластоцисты, известные как бластоиды, помогают исследовать события, связанные с имплантацией, которые могут быть ключом к проблеме бесплодия. Но развитие бластоидов останавливается, что затрудняет исследование изменений, происходящих с эмбрионом чуть позже. Период развития человека сразу после имплантации — это «поистине черный ящик», по словам Якоба Ханны (Jacob Hanna) из Института Вейцмана, руководителя одной из групп.
Один из способов, с помощью которого исследователи пытались углубиться в события после стадии бластоцисты, заключается в получении суррогатных эмбрионов из стволовых клеток мыши. Например, в прошлом году Ханна и его коллеги вырастили из таких клеток имитаторы эмбрионов с бьющимся сердцем, зачатками головного и спинного мозга и зарождающимися мышцами.
Чтобы создать аналогичные модели развития человеческого эмбриона, Ханна и его команда начали с клеточных линий, ранее культивированных из ранних человеческих эмбрионов, и со стволовых клеток, полученных из взрослых клеток. Модель эмбриона должна содержать не только клетки собственно эмбриона, но и клетки, производящие так называемые внеэмбриональные ткани, такие как плацента и пуповина. Используя среды для культивирования клеток, разработанные другими учеными, а также те, которые они создали сами, исследователи подтолкнули свои стволовые клетки к специализации во внеэмбриональных клеточных линиях, обнаруженных в настоящем эмбрионе. Затем они позволили этим линиям смешаться со стволовыми клетками. Полученные кластеры клеток имели признаки эмбрионов после стадии бластоцисты, сообщают ученые в статье, опубликованной на сервере препринтов bioRxiv.org.
Зерницка-Гётц и ее коллеги выбрали другой подход. Они также ранее получали клеточные структуры из стволовых клеток мыши, которые повторяют события после имплантации эмбриона. В новой работе под руководством Кембриджского аспиранта Бейли Уэзерби они создали внеэмбриональные клеточные линии из двух видов эмбриональных стволовых клеток человека, которые были генетически модифицированы для дифференциации в типы тканей при воздействии антибиотика доксициклина. Затем ученые смешали результаты с немодифицированными эмбриональными стволовыми клетками человека, и три типа клеток объединились в кластеры, похожие на эмбрионы. Команда говорит, что в полученных объектах присутствуют несколько важных особенностей реальных эмбрионов, в том числе предшественники сперматозоидов и яйцеклеток и зачатки амниона, мембраноподобной структуры, которая окружает эмбрион. Препринт также опубликован на сайте bioRxiv.org. Но некоторые коллеги утверждают, что синтетические эмбрионы этой группы не воспроизводят натуральные эмбрионы так же точно, как объекты, созданные Якобом Ханной и его коллегами, потому что им не хватает некоторых клеточных линий и их структура не столь четко определена. «Эти структуры не повторяют все аспекты эмбриона, а скорее служат нам дополнительным инструментом для изучения … ключевых стадий развития», — говорит Уэзерби.
Две другие группы также выпустили на этой неделе препринты, описывающие создание постимплантационных моделей эмбрионов. Команда из Университета Питтсбурга под руководством Мо Эбрахимхани (Mo Ebrahimkhani) использовала генетически модифицированные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — эмбрионоподобные клетки, созданные из клеток взрослого человека, — для формирования эмбриональных и внеэмбриональных тканей в клеточных кластерах, которые они назвали iDiscoids. Вторая, китайская, команда под руководством Тяньцина Ли из Куньмингского университета науки и технологий, создала свои «Е-ассемблоиды» путем смешивания свежеполученных эмбриональных стволовых клеток человека и экстраэмбриональных клеток.
Исследователи теперь хотят улучшить свои технологии, чтобы получить еще более точные заменители эмбрионов и, соответственно, более четкую картину того, как протекает раннее развитие человека. Команды Института Вейцмана и Кембриджа прервали ход своих экспериментов, когда суррогатные эмбрионы стали эквивалентом естественных 14-дневных человеческих эмбрионов. Этот срок долгое время был согласованным пределом для выращивания человеческих эмбрионов, полученных в результате ЭКО. Однако Зерницка-Гётц и другие исследователи утверждали, что изучение эмбрионов в течение более длительного времени было бы ценным. В 2021 году Международное общество исследований стволовых клеток отменило обязательное 14-дневное ограничение на культивирование эмбрионов ЭКО. Ныне действующие правила не устанавливают конкретных сроков для моделей эмбрионов, созданных из стволовых клеток. Новые имитации эмбрионов активизировали дискуссию о статусе таких моделей человеческого развития. «Большой вопрос заключается в том, как будет проведена граница между культурой тканей и человеческим организмом и по каким критериям», — говорит специалист по этике Бенджамин Херлбут (J. Benjamin Hurlbut) из Университета штата Аризона.