Чи приведуть синтетичні ембріони до ери штучних органів?   

Вчені відтворили в лабораторії природний процес ембріонального розвитку ссавців аж до моменту розвитку мозку та серця. Використовуючи стовбурові клітини, дослідники створили позаматкові синтетичні ембріони миші, які повторювали природний процес розвитку в утробі матері до 8.5 дня. Це віха в синтетичній біології. У майбутньому це буде керувати дослідженнями синтетичних ембріонів людини, які, у свою чергу може початок розробки та виробництва синтет органів для пацієнтів, які очікують трансплантації. 

Ембріон зазвичай розуміється як проміжна стадія розвитку в послідовному природному явищі розмноження, ініційованого зустріччю сперматозоїда з яйцеклітиною для утворення зиготи, яка ділиться, перетворюючись на ембріон, з подальшим розвитком у плід і новонародженого після завершення вагітності.  

Удосконалення ембріональної клітини ядерний трансфер бачив випадок пропуску етапу запліднення яйцеклітини сперматозоїдом. У 1984 році з яйцеклітини було створено ембріон, у якому його оригінальне гаплоїдне ядро ​​було видалено та замінено ядром донорської ембріональної клітини, яка успішно пройшла розвиток у сурогатній матері, щоб народити першу клоновану вівцю. Завдяки досконалості ядерної передачі соматичних клітин (SCNT) вівця Доллі була створена в 1996 році зі зрілої дорослої клітини. Це був перший випадок клонування ссавця з дорослої клітини. Випадок Доллі також відкрив можливість розробки персоналізованих стовбурових клітин. В обох випадках сперматозоїди не використовувалися, однак яйцеклітина (із заміненим ядром) виросла, щоб стати ембріоном. Отже, як такі, ці ембріони все ще були природними.  

Чи можуть бути створені ембріони без участі навіть яйцеклітини? Якщо так, то такі ембріони були б синтетичними настільки, що не використовувалися б гамети (статеві клітини). У наші дні такі ембріони (або «ембріоподібні» або ембріоїди) зазвичай створюють з використанням ембріональних стовбурових клітин (ESC) і культивують пробірці в лабораторії.  

Серед ссавців мишам потрібен відносно короткий період (19-21 день) для розмноження, що робить ембріон миші зручною моделлю для дослідження. Із загального періоду період до імплантації становить приблизно 4-5 днів, тоді як решта 15 днів (приблизно 75% від загальної кількості) припадає на період після імплантації. Для розвитку після імплантації ембріон повинен імплантуватися в матку, що робить його недоступним для зовнішнього спостереження. Ця залежність від материнської матки створює перешкоду в дослідженні.    

2017 рік став знаменним в історії культури ембріонів ссавців. Зусилля зі створення синтетичних мишачих ембріонів отримали успіх, коли дослідники чітко продемонстрували, що ембріональні стовбурові клітини мають здатність до самозбору та самоорганізації пробірці щоб створити ембріоноподібні структури, які нагадують природні ембріони у важливих аспектах^1,2. Однак існували обмеження матки бар'єри. Культивування передімплантаційного ембріона є звичайною справою пробірці але будь-яка надійна платформа для ex-utero культури ембріонів миші після імплантації (від стадій яйцеподібного циліндра до просунутого органогенезу) була недоступна. Прорив у вирішенні цієї проблеми стався минулого року, у 2021 році, коли дослідницька група представила культурну платформу, ефективну для постімплантаційного розвитку мишачого ембріона поза маткою матері. Було виявлено, що ембріон, вирощений на цій платформі ex utero, точно повторює in utero розробка³. Ця розробка подолала маткові бар’єри та дозволила дослідникам краще зрозуміти постімплантаційний морфогенез і, таким чином, допомогла проекту синтетичного ембріона вийти на просунуту стадію. 

Тепер дві дослідницькі групи повідомили про вирощування синтетичного ембріона миші протягом 8.5 днів, що є найдовшим досі. Цього було досить довго, щоб розрізнити органів (наприклад, серцебиття, кишкова трубка, нервова складка тощо). Цей останній прогрес справді вражаючий.  

Як повідомлялося в Cell 1 серпня 2022 року, дослідницька група створила синтетичні ембріони миші, використовуючи лише наївні ембріональні стовбурові клітини (ESC) поза маткою матері. Вони спільно агрегували стовбурові клітини та продовжили їх обробку за допомогою нещодавно розробленої культуральної платформи екс-утробно ріст, щоб отримати синтетичний цілий ембріон після гаструляції з ембріональними та екстраембріональними відділами. Синтетичний ембріон задовільно досяг основних етапів для 8.5-денної стадії ембріонів миші. Це дослідження підкреслює здатність наївних плюрипотентних клітин до самозбирання та самоорганізації та моделювання всього ембріона ссавців за межами гаструляції⁴. 

В останньому дослідженні, опублікованому в журналі Nature 25 серпня 2022 року, дослідники також використовували екстраембріональні стовбурові клітини для розширення потенціалу розвитку ембріональних стовбурових клітин (ESC). Вони зібрали синтетичні ембріони in vitro, використовуючи мишачі ESC, TSC та клітини iXEN, які повторювали природний цілий ембріональний розвиток миші в матці до 8.5 дня. Цей синтетичний ембріон мав визначені ділянки переднього та середнього мозку, серцеподібну структуру, що б’ється, стовбур із нервовою трубкою, хвостову бруньку, що містить нейромезодермальні попередники, кишкову трубку та первинні статеві клітини. Все було в екстраембріональному мішку⁵. Таким чином, у цьому дослідженні органогенез був більш просунутим і вражаючим порівняно з дослідженням, опублікованим у Cell 1 серпня 2022 року. Можливо, використання двох типів екстраембріональних стовбурових клітин підвищило потенціал розвитку ембріональних стовбурових клітин у цьому дослідженні. Цікаво, що в попередньому дослідженні використовувалися лише наївні ембріональні стовбурові клітини (ЕСК).  

Ці досягнення є справді чудовими, оскільки це найвіддаленіша точка в дослідженнях синтетичних ембріонів ссавців. Можливість створити мозок ссавців була головною метою синтетичної біології. Відтворення природного процесу постімплантаційного ембріонального розвитку в лабораторії долає матковий бар’єр і дає змогу дослідникам вивчати найраніші стадії життя, які зазвичай приховані в матці.  

Незважаючи на етичні проблеми, досягнення в дослідженнях синтетичних ембріонів миші в найближчому майбутньому будуть керувати дослідженнями синтетичних ембріонів людини в найближчому майбутньому, що може стати початком розробки та виробництва синтетичних органів для пацієнтів, які очікують трансплантації.  

*** 

Список використаної літератури:  

1. Харрісон SE та ін 2017. Збірка ембріональних і екстраембріональних стовбурових клітин для імітації ембріогенезу in vitro. НАУКА. 2 березня 2017 р. Том 356, випуск 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810  

2. Warmflash A. 2017. Синтетичні ембріони: вікна в розвиток ссавців. Стовбурова клітина. Том 20, випуск 5, 4 травня 2017 р., сторінки 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001   

3. Агілера-Кастрейон, А., та інші 2021. Ex utero ембріогенез миші від прегаструляції до пізнього органогенезу. Природа 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3  

4. Таразі С., та ін 2022. Постгаструляційні синтетичні ембріони, створені ex utero з мишачих наївних ЕСК. Стільниковий. Опубліковано: 01 серпня 2022 р. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028 

5. Амадей, Г., та ін 2022. Синтетичні ембріони завершують гаструляцію до нейруляції та органогенезу. Опубліковано: 25 серпня 2022. Природа. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3 

***