Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком - Магдалена Зерницка-Гетц

по относительно сходным правилам, но после имплантации мышиный эмбрион приобретает форму цилиндра, а человеческий — форму диска. Их траектории развития расходятся из-за различий во взаимодействиях трех базовых типов клеток.

И здесь эмбрионы, созданные из стволовых клеток in vitro, предоставляют новые сведения. В отличие от эмбрионов, образующихся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, модельные эмбрионы можно создавать в огромных количествах и подвергать генетическому редактированию для проведения высокопроизводительных генетических тестов и скрининга лекарственных препаратов [19]. Еще одним важным источником информации являются химеры, у которых человеческие клетки имплантированы в эмбрион другого биологического вида, что приводит к созданию новой оси [20]. Так с помощью «синтетической биологии» можно проверить, можем ли мы понять развитие в целом по отдельным его частям. Сегодня мы как никогда четко можем увидеть подробности танца жизни, при котором происходит кооперация и конкуренция клеток внутри самоорганизующегося эмбриона.

Этические аспекты использования моделей эмбрионов из стволовых клеток

Исследования по созданию эмбрионоподобных структур поднимают более широкие проблемы, которые знаменитый американский ученый Джордж Чёрч, ведущий специалист по синтетической биологии в Гарварде, разобрал в статье журнала eLife [21]. Интерес Чёрча и его коллег к «синтетическим человеческим существам с эмбрионоподобными чертами» начался с эксперимента, проведенного ими в 2011 году, когда они ввели человеческие стволовые клетки в мышиные эмбрионы, прикрепленные скаффолду[20] , применив то, что сами назвали инженерией эмбриональных тканей на основе скаффолдов. Для получения скаффолда из эмбрионов удалили клетки, оставив лишь межклеточный матрикс, и предполагалось, что сигнальные факторы побудят человеческие стволовые клетки превратиться во множество клеточных типов. Уже предпринимались попытки сделать таким образом сердце крысы [22]. В статье журнала eLife утверждалось, что подобные эксперименты «могут привести к созданию эмбрионоподобных существ, если ткани разовьются в достаточном количестве и установят между собой функциональные связи».

Как мы должны относиться ко всем этим существам, от эмбриоидов до эмбрионоподобных моделей, с учетом современных этических и правовых аспектов в разных юрисдикциях? Следует ли, с точки зрения закона, обращаться с модельными эмбрионами как с человеческими, сейчас или в будущем? Что, если получится сконструировать эмбрионоподобные модели, развивающиеся до более зрелого состояния? К ним нельзя применять четырнадцатидневный лимит, поскольку их время развития измеряется по другим часам. Как подчеркнули мои коллеги в комментарии к статье в Nature, существенным для решения этих вопросов является прозрачность и эффективное взаимодействие с общественностью [23].

Нет никаких сомнений, что рождение первой здоровой мыши из имплантированной эмбрионоподобной структуры станет знаковым моментом в репродукции, который породит столько же споров, сколько и научных перспектив. Как всякое исследование с практическим применением, репродуктология и наука о стволовых клетках в равной мере приносит новые возможности и этические проблемы. Однако в своей статье мы советовали запретить использование эмбрионоподобных структур в репродукции. Что касается этики, то для регулирующих органов на первом месте должна стоять цель экспериментального использования этих структур, а не попытки понять, насколько они похожи на естественные эмбрионы. Мы полагаем, что к структурам, воспроизводящим лишь часть эмбриона, нельзя относиться точно так же, как к полноценному эмбриону. Мы также призываем каждого ученого, использующего человеческие стволовые клетки, придерживаться существующих рекомендаций. Модели эмбрионов на основе стволовых клеток способны преобразить медицину. Но мы должны действовать осторожно.

Глава 10

Новая эра синтетической биологии

Новая наука о том, как клетка становится человеком, уже оказывает на нас свое воздействие, будь то разработка новых методов лечения бесплодия, повышающих вероятность зачатия, или новых тестов и терапевтических подходов, а также многое другое — от профилактики развития врожденных дефектов до регенеративной медицины, побуждающей клетки танцевать под новую мелодию.

Точно так же, как танец организован в пространстве и времени, имеет определенный порядок шагов, направление передвижений и соответствует паттернам акцентов, так и клетки развивающегося эмбриона, по результатам исследований моей и других команд, руководствуются фундаментальными процессами, позволяющими эмбриону самоорганизовываться и создавать нас. И хотя много еще предстоит исследовать, сведения о клеточных и молекулярных процессах в раннем эмбрионе уже имеют существенное влияние.

Новая область регенеративной медицины опирается на данные о том, как стволовые клетки превращаются в ткани и органы. Пока моя команда фокусировалась на танце первой сотни (или около того) клеток развивающегося эмбриона и выясняла базовые принципы, направляющие этот танец, другие ученые выяснили принципы его дальнейшего превращения в плод, когда у зародыша начинают проступать черты ребенка. В клеточном танце взрослой жизни в пять тысяч раз больше участников, чем людей на нашей планете, и это без учета миллиардов клеток, сошедших с пути вместе с плацентой или в результате апоптоза. Сегодня мы можем наблюдать танец жизни (но не манипулировать им) и легко визуализировать его коллективные клеточные миграции.

Один из таких примеров — интерактивный 3D-атлас эмбрионального развития, охватывающий период со второй недели (когда эмбрион меньше полумиллиметра в поперечнике) до двух месяцев (когда он уже три сантиметра и явно похож на плод). Трехмерный атлас эмбриологии человека, разработанный Амстердамским медицинским центром (доступный онлайн по ссылке www.3dembryoatlas.com), ведет Бернадетт де Баккер из Амстердамского университета [1]. Чтобы изучить развитие органов и тканей, научной команде пришлось проанализировать электронно-микроскопические снимки примерно пятнадцати тысяч окрашенных срезов тканей из коллекции Института Карнеги, о которой мы уже говорили в главе 6. В целом ученые проанализировали тридцать шесть эмбрионов, по два на каждую из семнадцати стадий развития, и с помощью цифрового пера и планшета выделили развивающиеся структуры.

В первые два месяца эмбрион растет экспоненциально. Его объем ежедневно увеличивается на 25% и на шестидесятый день достигает примерно 2800 кубических миллиметров, что эквивалентно половине чайной ложки [2].

Выяснилось, что стандартные учебники эмбриологии содержат ошибки. Нет никакого «восхождения почек». Гонады (формирующие яичники и тестикулы) не опускаются, как считалось ранее, а укорачиваются относительно растущих позвонков. Также обнаружены несоответствия в описании развития артерий.

Как показывает атлас, некоторые органы у эмбриона человека развиваются гораздо раньше, чем у эмбриона курицы или мыши, а некоторые — позже, и это очередное напоминание о том, что нельзя переносить на людей результаты экспериментов с животными, например в плане воздействия лекарств и токсинов. Атлас является прекрасным примером оценки развития путем анализа редкого человеческого биоматериала и серьезным напоминанием о том, как мало мы знаем о собственном эмбриогенезе. Чем больше сведений мы получим, тем легче будем начинать и формировать танец жизни.

Креативная биология

Последние разработки в лабораториях всего мира предвещают новую эру креативной биологии. Мы можем манипулировать идентичностью клеток на всем протяжении их развития,