Ученые смогли вырастить мышиные эмбрионы в биореакторе до той стадии, когда у них появились конечности и забилось сердце Это серьезный прорыв для науки, но все еще не антиутопия
Воспроизведением эмбрионального развития млекопитающих «в пробирке» ученые занимаются примерно с 1930-х годов. Цель этих экспериментов — детальное исследование стадий развития зародыша и выяснение причин сопутствующих аномалий, ведь даже на модельных животных невозможно наблюдать за всеми процессами внутри матери.
Такими экспериментами сразу начали пугать публику в антиутопиях
Так описывал выращивание человеческих зародышей в бутылях Олдос Хаксли в романе-антиутопии 1932 года «О дивный новый мир»:
Он поведал им о зародыше, растущем на своей подстилке из (свиной) брюшины. Дал каждому студенту попробовать насыщенный питательными веществами кровезаменитель, которым кормится зародыш. Объяснил, почему необходима стимулирующая добавка плацентина и тироксина. Рассказал об экстракте желтого тела. Показал инжекторы, посредством которых этот экстракт автоматически впрыскивается через каждые двенадцать метров по всему пути следования вплоть до 2040-го метра. Сказал о постепенно возрастающих дозах гипофизарной вытяжки, вводимых на финальных девяноста шести метрах маршрута. Описал систему искусственного материнского кровообращения, которой оснащается бутыль на 112-м метре (конвейера), показал резервуар с кровезаменителем и центробежный насос, прогоняющий без остановки эту синтетическую кровь через плаценту, сквозь искусственное легкое и фильтр очистки. Упомянул о неприятной склонности зародыша к малокровию и о необходимых в связи с этим крупных дозах экстрактов свиного желудка и печени лошадиного эмбриона
Пока, пожалуй, главным практическим результатом этих усилий стало искусственное оплодотворение. Мы можем взять у мужчины и женщины половые клетки, заморозить их, хранить достаточно долгое время, затем разморозить — и в чашке Петри, без участия родителей, получить эмбрион, который затем можно подсадить в матку любой женщине. И там из нескольких клеток разовьется полноценный человеческий плод.
Сразу после оплодотворения яйцеклетка (точнее, уже зигота) начинает делиться и проходит первичные стадии клеточной дифференцировки: закладываются участки, из которых впоследствии сформируются системы органов. Через несколько дней (например, у человека это происходит примерно на седьмой день, а у мыши на четвертый) происходит имплантация эмбриона в стенку матки, после чего формируется специальный орган связи с матерью — плацента. Через него происходит питание и газообмен (дыхание) растущего зародыша.
В лаборатории ученые успешно научились выращивать и культивировать эмбрионы млекопитающих, в том числе человека, до стадии имплантации, и даже чуть позже. Для этого подачу питательных веществ и кислорода пытаются организовать при помощи своеобразных биореакторов, в которых среда перемешивается. Однако до сих пор нормальные эмбрионы удавалось поддерживать таким образом всего около суток. После этого эмбрионы, как правило, гибнут, или у них начинаются аномалии развития. До сих пор вне материнской утробы не удалось вырастить даже мышонка.
Израильские ученые из Института Вейцмана осуществили прорыв в этих экспериментах. 17 марта их статья вышла в престижном научном журнале Nature. Группе под руководством Якоба Ханны впервые удалось вырастить в биореакторе эмбрионы мыши до 11 дня развития (всего длительность беременности у мышей составляет лишь 20 дней). На этом этапе у них уже сформировались система кровообращения, забилось сердце и появились зачатки конечностей. В лаборатории удалось вырастить около тысячи таких эмбрионов, что свидетельствует о хорошо налаженной технологии.
По словам авторов исследования, ключом к успеху стала уникальная система вентиляции и поддержания атмосферного давления, благодаря которой эмбрионы не деформировались, а в их питательную среду подавался кислород со ступенчатым увеличением — в зависимости от стадии развития. Кроме того, в среду добавили сыворотку из человеческой плаценты, на которой мышиные эмбрионы росли куда охотнее, чем на крысиной сыворотке.
Будущих мышат выращивали в «искусственной утробе» не с нуля — зародыши извлекли из матери на пятый день развития, когда у них имелись только зачатки систем органов, и дальше оно продолжалось во вращающейся бутыли с перемешивающейся средой. Однако в интервью The New York Times профессор Ханна заявил, что его сотрудникам уже удалось достичь того же результата и со свежеоплодотворенными яйцеклетками, извлеченными из половых протоков самок. Конечная цель ученых — воссоздать «в пробирке» весь процесс, включая оплодотворение.
Несмотря на то, что завершить процесс «беременности» в лаборатории не удалось — в итоге эмбрионы все-таки начали неправильно развиваться — исследователи уже доказали пользу такой модели для науки. К примеру, им удалось сразу после извлечения из утробы пометить эмбрионы флуоресцентной меткой и после этого проследить в биореакторе за ее распределением по тканям. Кроме того, ученые смогли вырастить химерные эмбрионы с клетками от другой мыши, введенными путем микроинъекции на начальной стадии эксперимента, и даже с предшественниками микроглии (вспомогательных клеток мозга) человека. Анализ таких эмбрионов показал, что человеческие клетки способны вполне нормально встраиваться в мозг мыши.
Сейчас израильские ученые думают, как наладить искусственную подачу крови или обогатить питательную среду, чтобы продлить развитие эмбрионов в биореакторе.
Другие исследовательские коллективы тем временем работают над задачей создания искусственной плаценты, растущей вне организма матери. В 2018 году ученые из Кембриджа вырастили из клеток плаценты стабильный трехмерный органоид, который имитировал функции этого органа в первый триместр беременности и даже синтезировал гормоны.
Проблему искусственной матки пытаются решить и с другой стороны — в частности, чтобы спасти жизнь критически недоношенным новорожденным. Еще в 2017 году исследователи опубликовали описание системы для поддержания жизни плода ягненка, которую, пожалуй, можно назвать максимально близкой к естественной утробе. Недоразвитый плод был помещен в мешок с жидкостью, напоминающей амниотическую, и к нему подключили трубки для обмена газов и крови. Таким образом жизнь ягненка удалось поддерживать четыре недели без видимых физиологических нарушений.
Несмотря на успехи ученых, антиутопические сценарии человечеству пока не грозят — во-первых, пока исследователям не удалось вырастить даже полноценных мышат. А во-вторых, эксперименты с человеческими эмбрионами старше 14 дней в развитых странах запрещены законодательно. В настоящее время такие эмбрионы для экспериментов получают из отходов репродуктивных клиник. Тем не менее, в том же выпуске Nature были опубликованы сразу две работы по получению структур, напоминающих ранние стадии эмбрионов человека (бластоцисты) из стволовых клеток. Возможно, несмотря на запреты, эти эксперименты так или иначе подстегнут исследования на человеческом материале.
Дарья Спасская