Микрофлюидика и стволовые клетки

Ученые создали микрофлюидную систему, которая позволяет воспроизвести раннее развитие человека. Стволовые клетки погрузили в гель и омывали раствором с сигнальными веществами. В результате получились эмбрионы, которые соответствуют первым стадиям развития после имплантации: у них появились первые зародышевые оболочки и сформировались предшественники стволовых клеток. Работа опубликована в журнале Nature.

После первых двух недель развития зародыш человека имплантируется в стенку матки и теряет самостоятельность: дальнейшие события жизни его клеток тесно связаны с сигналами от материнского организма. Именно в этот момент происходит главное событие в развитии человека — гаструляция. Это процесс, в ходе которого будущий организм из одного слоя клеток превращается в два, а затем в три. Одновременно с этим формируются план строения зародыша: образуются спинная и брюшная стороны, а также будущие голова и хвост. 

В то же самое время возникают первые зачатки нервной системы — группа клеток-предшественников, из которых позже образуется нервная трубка и все ее производные. С этим, в частности, связано «правило 14 дней» — запрет на культивирование эмбрионов в лаборатории дольше этого срока. Считается, что этот запрет исключает возможность того, что эмбрион почувствует какую бы то ни было боль от манипуляций, которые с ним производят.

«Правило 14 дней», с одной стороны, и невозможность развития вне материнского организма — с другой, сильно ограничивают эмбриологов человека в их работе. Все, что мы знаем о постимплантационном периоде жизни человеческих зародышей, либо изучено на абортивном материале (но часто это нежизнеспособные эмбрионы), либо проверено на мышах (развитие которых не полностью повторяет развитие человека), либо смоделировано на отдельных клеточных культурах, что не позволяет делать выводы о состоянии эмбриона в целом на той или иной стадии. 

И Чжэн (Yi Zheng) из Мичиганского университета и его коллеги построили модель человеческих эмбрионов с помощью микрофлюидного устройства. В качестве клеточной основы ученые взяли плюрипотентные стволовые клетки человека — это эмбриональные стволовые клетки, которые получают непосредственно из ранних эмбрионов, и индуцированные плюрипотентные клетки, которые получают из клеток взрослых людей, репрограммируя их в зародышевое состояние. Исследователи поселили плюрипотентные клетки на гелевую основу, где по мере застывания геля они образовали шарики. Затем по соседним каналам ученые вводили в раствор морфогены — сигнальные вещества, влияющие на клеточную судьбу. Время от времени исследователи окрашивали группы клеток на характерные маркеры, чтобы определить, какие популяции клеток составляют шарик-зародыш.

Схема эксперимента: микрофлюидное устройство, образовавшиеся клеточные шарики, дифференцировка в сторону передней и задней части тела

Clarck, Nature (2019)

Под влиянием морфогенов однородная клеточная масса в шариках разделилась на два типа: клетки эпибласта, из которых могут образоваться собственные ткани организма, и клетки амниона — первой из зародышевых оболочек. Затем клетки эпибласта продолжили специализироваться: началась гаструляция и даже образовались первичные половые клетки — те самые, которые должны дать начало собственно половым клеткам человека. При этом в каждом шарике сформировалась дорсо-вентральная ось, то есть стало понятно, где будущая спина, а где — живот, но передне-задняя ось не образовалась. Каждый зародыш был целиком похож либо на переднюю часть организма, либо на заднюю. 

Таким образом, исследователям удалось воспроизвести события, происходящие в зародыше во время имплантации. Эту модель можно будет использовать и дальше — например, чтобы изучить механизмы выкидышей. В то же время, новый метод не вызывает этических сомнений — ведь можно не использовать клетки из настоящих эмбрионов — и позволяет обойти «правило 14 дней», потому что эти модельные структуры не полностью воспроизводят живой зародыш.

«Правило 14 дней» действует и в экспериментальной эмбриологии: например, в Испании и Китае сейчас создают химерные эмбрионы обезьяны и человека — но выращивать их разрешено тоже не дольше этого срока. 

Полина Лосева, оригинал статьи: https://nplus1.ru/news/2019/09/11/microfluidic-embryo