Кембриджские ученые вырастили «синтетический» эмбрион с мозгом и бьющимся сердцем

Исследователи из Кембриджского университета создали синтетические модельные эмбрионы с мозгом, бьющимся сердцем и потенциалом для выращивания других органов из стволовых клеток мыши. Исследование рекламируется как новый способ воссоздать первые этапы жизни.

Группа исследователей во главе с профессором Магдаленой Зерницкой-Гетц использовала стволовые клетки для разработки модели эмбриона, а не яйцеклетки или сперму. Стволовые клетки — это мастер-клетки, которые могут развиваться почти в любой другой тип клеток в организме.

Модельные эмбрионы, такие как выращенные исследователями, могут помочь в дальнейшем понимании того, почему некоторые эмбрионы продолжают развиваться в здоровую беременность, а другие нет. Результаты также могут быть использованы для руководства восстановлением и развитием синтетических органов человека, которые будут использоваться при трансплантации.

Чтобы создать эмбрионы, исследователи имитировали естественные процессы, чтобы направлять три типа стволовых клеток, обнаруженных в раннем развитии млекопитающих, пока они не начали взаимодействовать. Исследователи могли заставить стволовые клетки «разговаривать» друг с другом, манипулируя генами и создавая правильную среду для клеток.

Оттуда стволовые клетки организовались в структуры, из которых развились бьющиеся сердца и основы мозга. У них также вырос желточный мешок, из которого эмбрионы получают питательные вещества в течение первых нескольких недель жизни.

Во время первых исследований эти эмбрионы достигли точки, когда начал развиваться весь мозг, включая переднюю часть. Ни одна другая модель, полученная из стволовых клеток, никогда не достигала этой стадии.

Группа профессора Зерницкой-Гетц в Кембридже изучала эти самые ранние стадии беременности в течение десяти лет. Они хотят понять, почему одни беременности заканчиваются неудачей, а другие — успешными.

«Модель эмбриона со стволовыми клетками важна, потому что она дает нам доступ к развивающейся структуре на стадии, которая обычно скрыта от нас из-за имплантации крошечного эмбриона в матку матери», — сказал Зерницка-Гетц. «Эта доступность позволяет нам манипулировать генами, чтобы понять их роль в развитии в модельной экспериментальной системе».

«У нашей мышиной модели эмбриона развивается не только мозг, но и бьющееся сердце — все компоненты, из которых состоит тело», — говорит профессор Зерницка-Гетц, профессор кафедры развития млекопитающих и биологии стволовых клеток в Кембриджском университете. Физиология, развитие и неврология. «Просто невероятно, что мы зашли так далеко. Это было мечтой нашего сообщества в течение многих лет и основным направлением нашей работы в течение десятилетия, и, наконец, мы это сделали».

Для успешного развития человеческого эмбриона ткани, которые станут эмбрионом, и ткани, которые соединят эмбрион с матерью, должны иметь «диалог». В первую неделю после оплодотворения развиваются три типа стволовых клеток: один из них станет тканями организма, а два поддерживают развитие эмбриона.

Одной из тканей, поддерживающих развитие эмбриона, является плацента, которая соединяет плод с матерью и обеспечивает его кислородом и питательными веществами. Другой - желточный мешок, где эмбрион растет и получает питательные вещества на раннем этапе развития.

Многие беременности прерываются в тот момент, когда три типа стволовых клеток начинают посылать друг другу химические и механические сигналы. Профессор Зерницка-Гетц, также профессор биологии и биологической инженерии в Калифорнийском технологическом институте, объяснила: «Примерно в это время так много беременностей прерывается, прежде чем большинство женщин осознают, что они беременны. Этот период является основой для всего остального, что следует за беременностью. Если что-то пойдет не так, беременность прервется».

Исследователи обнаружили, что экстраэмбриональные клетки передают сигналы эмбриональным клеткам химическими сигналами. Они также общаются механически или через прикосновение, чтобы направлять развитие эмбриона.

«Этот период человеческой жизни настолько загадочен, поэтому иметь возможность увидеть, как это происходит в чашке, получить доступ к этим отдельным стволовым клеткам, понять, почему так много беременностей терпит неудачу и как мы могли бы предотвратить это. — совершенно особенный», — сказала Зерницка-Гетц. «Мы посмотрели на диалог, который должен был происходить между различными типами стволовых клеток в то время — мы показали, как он происходит и как он может пойти не так».

Модель также является первой, которая сигнализирует о развитии передней части мозга, да и всего мозга. «Это открывает новые возможности для изучения механизмов развития нервной системы в экспериментальной модели», — сказал Зерницка-Гетц.

«Фактически мы демонстрируем доказательство этого принципа в статье, отключая ген, который, как уже известно, необходим для формирования нервной трубки, предшественника нервной системы, а также для развития мозга и глаз. В отсутствие этого гена синтетические эмбрионы обнаруживают в точности известные дефекты развития мозга, как и у животных, несущих эту мутацию. Это означает, что мы можем начать применять такой подход ко многим генам с неизвестной функцией в развитии мозга».

Текущие исследования проводились на моделях мышей, но исследователи разрабатывают аналогичные человеческие модели. Их можно использовать для создания определенных типов органов, чтобы понять процессы, которые в противном случае было бы невозможно изучить в реальных эмбрионах.

В настоящее время британское законодательство разрешает изучение человеческих эмбрионов в лаборатории только до 14-го дня развития. Если методы, разработанные командой Зерницкой-Гетц, окажутся успешными в отношении стволовых клеток человека в будущем, их также можно будет использовать для разработки синтетических органов для пациентов, ожидающих трансплантации.

Зерницка-Гетц сказала: «В мире так много людей, которые годами ждут пересадки органов. Что делает нашу работу такой увлекательной, так это то, что полученные в результате знания можно использовать для выращивания правильных синтетических органов человека, чтобы спасти жизни, которые в настоящее время потеряны. Также должна быть возможность воздействовать на органы взрослого человека и лечить их, используя имеющиеся у нас знания о том, как они сделаны».

Она добавила: «Это невероятный шаг вперед, на который у многих членов моей команды ушло 10 лет напряженной работы — я никогда не думала, что мы добьемся этого. Никогда не думаешь, что твои мечты сбудутся, но они сбылись».

Прочитайте полную историю здесь…