На запасные органы. Ученые приступили к созданию искусственных эмбрионов

• Природный ремкомплект
• Вырастить кишечник
• Эмбрион с нуля

Израильским биологам впервые удалось создать из стволовых клеток без использования яйцеклеток и сперматозоидов синтетический эмбрион мыши с функционирующими внутренними органами. Конечная цель ученых — выращивание тканей и органов человека для последующей трансплантации. Определенные успехи в этом направлении уже есть.

Природный ремкомплект

Любой многоклеточный организм начинается с одной оплодотворенной яйцеклетки. В первых циклах деления из нее возникают универсальные, или тотипотентные стволовые клетки. Затем в зависимости от сценария, по которому пошло развитие, из них формируются внутренние органы, сосуды, кости, кожа и прочие ткани.

В небольшом количестве организм продолжает производить стволовые клетки в течение всей жизни. Они вырабатываются в костном мозге и при определенных условиях способны превратиться в клетки различных органов и тканей. Своего рода ремкомплект на случай заболеваний и травм.

Правда, с возрастом этого материала все меньше. Если у новорожденного одна столовая клетка приходится примерно на десять тысяч обычных, то у взрослого — на миллион, а к старости еще в сто раз меньше. Снижение возможностей регенерации — естественное следствие физического старения.

Биологи пытаются использовать способность стволовых клеток к дифференцировке — превращению в любые специализированные клетки организма — для восстановления поврежденных тканей и органов. Однако на этом пути много трудностей.

Во-первых, невероятно сложно заставить выращенные в лаборатории клетки развиваться по заданному сценарию. Кроме того, недифференцированные, незрелые клетки, попав в организм взрослого человека, могут вызвать злокачественные образования. Поэтому ученые всегда предупреждают о возможных негативных последствиях применения стволовых клеток в косметических целях и опасности так называемых инъекций молодости.

Во-вторых, материалом для пересадки обычно служат эмбриональные стволовые клетки, получаемые из пуповинной крови. Их главное достоинство в том, что они не вырабатывают антигены тканевой совместимости. Значит, организм, в который пересадят эти клетки, их не отторгнет. Но любой эмбрион — персонифицированный, то есть появляется на свет при оплодотворении конкретной яйцеклетки. И вопрос коммерческого использования его клеток, помимо технического, имеет еще юридический и этический аспекты.

Вырастить кишечник

Известно, что максимальной способностью к регенерации во взрослом организме обладают печень, поджелудочная железа и особенно кишечник. Его стенки постоянно подвергаются воздействию патогенных бактерий, кислот и вредных отходов, образующихся при расщеплении пищи. Поврежденные клетки заменяют новые, дифференцированные из стволовых. Эпителий — слой клеток, выстилающий изнутри тонкий и толстый кишечник — обновляется каждые четыре-семь дней.

Важно понять, как стволовые клетки «узнают», во что им надо дифференцироваться. Недавно исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско определили, что генетические сигналы, определяющие развитие стволовых клеток кишечника, поступают из находящихся в непосредственной близости лимфатических сосудов, а биологи Рокфеллеровского университета установили, что посредниками тут выступают определенные белки. Нарушение этой цепочки, по мнению ученых, может вызвать серьезные заболевания, в том числе рак.

С выращиванием в лабораторных условиях органоподобных структур из плюрипотентных (уже прошедших первичную дифференцировку) стволовых клеток эмбрионов экспериментируют не первое десятилетие. В Копенгагенском университете предложили использовать для этого внеэмбриональные эндодермальные клетки, открытые относительно недавно.

Эти клетки существуют только на определенной стадии эмбрионального развития, помогая зародышу сформироваться, а затем исчезают. В организме человека таких нет, поэтому раньше на них не обращали внимания. Теперь же доказали, что, направив их по определенному пути развития, можно выращивать разные ткани.

С помощью генетических маркеров ученые идентифицировали структурные единицы, потенциально способные формировать органы пищеварительной системы, нашли гены, управляющие ими, активировали их и вырастили искусственный кишечник. Причем на внеэмбриональном клеточном материале получилось не хуже, чем на эмбриональном.

«Мы определили альтернативный путь, который внеэмбриональные клетки проходят при формировании кишечных органов у эмбриона, взяли эндодермальные и превратили их в органоподобные структуры», — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова руководителя исследования, профессора Джошуа Брикмана.

Эмбрион с нуля

Дальше всех продвинулись израильские ученые. Они решили создать из наивных (недифференцированных) стволовых клеток синтетический эмбрион, в котором уже есть зачатки всех органов.

«Эмбрион — лучшая машина для изготовления органов и лучший 3D-биопринтер, — объясняет руководитель исследования профессор Джейкоб Ханна из отдела молекулярной генетики из Института Вейцмана. — Мы пытались просто подражать природе».

Ханна и его группа ранее успешно выращивали мышиные эмбрионы вне матки, в стеклянных контейнерах. Для этого сконструировали специальную установку, которая обеспечивает постоянное перемешивание и доставку питательных веществ посредством имитации кровотока, тщательно контролируя кислородный обмен и давление. В качестве исходного материала использовали настоящую оплодотворенную яйцеклетку. В новом исследовании эмбрионы вырастили из культивированных стволовых клеток без участия яйцеклетки, сперматозоидов или матки.

Первичную дифференцировку биологи провели сами, разделив все наивные клетки на три группы. Одну, предназначенную для образования зародышевых органов, оставили как есть. А две другие, из которых предполагали получить эктодерму и эндодерму — соответственно, наружный и внутренний слои клеток эмбриона — дополнительно активировали с помощью генетических факторов. Потом все три группы смешали и поместили в инкубатор.

Вскоре клетки объединились в мелкие сферические агрегаты. Большинство такими и остались, но примерно 0,5 процента — около 50 из более чем десяти тысяч — превратились в удлиненные структуры, похожие на зародыши.

Они нормально развивались до середины восьмого дня — это почти половина 20-дневного срока беременности у мышей. Потом процесс по неизвестным причинам застопорился. За это время успели сформироваться все прототипы внутренних органов, включая сердце, кровеносные сосуды, мозг, нервную трубку (предшественник спинного мозга) и кишечный тракт, сложилась основа общей морфологии тела.

Органы искусственных эмбрионов показывали все признаки функционирования — сердце сокращалось, а по сосудам циркулировали стволовые клетки крови. При этом модели на 95 процентов соответствовали природным зародышам как по внутренним структурам, так и по паттернам экспрессии генов в клетках разных типов.

Ученые возлагают на новый метод большие надежды. По их мнению, это позволит обойти технические и этические проблемы, связанные с естественными эмбрионами. Даже в случае с мышами некоторые эксперименты неосуществимы из-за того, что требуются тысячи эмбрионов. Доступ к стволовым клеткам, выращенным в лабораторных инкубаторах, практически неограничен.

Исследователи планируют опробовать разработанный подход на индуцированных (перепрограммированных) плюрипотентных клетках взрослого человека. Выращенные из них синтетические эмбрионы смогут в будущем стать надежным источником тканей и органов для пересадки. Тогда не понадобятся доноры и исчезнет риск отторжения.

Но, признаются биологи, до синтетических человеческих эмбрионов еще очень далеко.