Трёхмерная модель проливает свет на ключевые аспекты раннего развития

С биологической точки зрения, самые ранние стадии жизни — самые загадочные. Развивающийся человеческий эмбрион претерпевает множество быстрых изменений, которые чрезвычайно сложно изучать, так как они происходят в утробе матери.

Новые технологии могут вскоре позволить заполнить важные пробелы в понимании ранней беременности и развития. Учёные из Рокфеллеровского университета использовали стволовые клетки для создания 3-D модели ранних эмбриональных тканей, что позволило им симулировать процессы развития во времени и пространстве. Исследователи надеются, что этот инструмент, эффективность которого они продемонстрировали в статье в Nature Cell Biology, позволит лучше понять процессы, управляющие ростом эмбриона, и в конечном итоге приведёт к инновациям для здоровой беременности.

Измерения развития

Концепция использования стволовых клеток для моделирования раннего эмбрионального развития была впервые разработана в лабораториях Али Х. Бриванлу и Эрика Д. Сиггии, опубликовавших свои первоначальные исследования по этой теме в 2014 году. Несмотря на важные открытия, Бриванлу и Сиггия осознавали ограниченность своей системы: традиционные 2-D модели не принимают реальную форму эмбриона, что не позволяет задавать ключевые вопросы, связанные с его структурой.

Например, учёных очень интересует процесс прикрепления эмбриона к матке — решающий первый шаг к успешной беременности. По словам Мийо Симуновича, изучить это сложное явление в 2-D системе практически невозможно. "Прикрепление по своей сути является 3-D проблемой", — говорит он.

Чтобы решить эту проблему, Бриванлу, Сиггия и Симунович использовали междисциплинарный подход для разработки 3-D модели, симулирующей человеческий эмбрион возрастом примерно четырнадцать дней — стадию развития, на которой происходит ключевой этап, называемый "гаструляция".

"Мы объединили несколько методов — биоинженерию, физику и биологию развития — чтобы создать эту модель", — объясняет Симунович. — "Теперь у нас есть 3-D система, которая имитирует не только генетический профиль эмбриона, но также его форму и размер".

Конечно, недостаточно создать модель, которая просто выглядит как настоящий эмбрион: она должна и вести себя как он. Соответственно, исследователи проверили, может ли их система симулировать один из самых фундаментальных процессов в развитии животных — явление, известное как нарушение симметрии.

Нарушение симметрии и прогресс

На самой ранней стадии эмбрион представляет собой симметричную сферу клеток. Затем, примерно через две недели, эта симметрия начинает исчезать, поскольку эмбрион приобретает отличительные черты, которые станут различными частями тела.

"Нарушение симметрии управляет почти всем, что происходит во время эмбрионального развития", — говорит Симунович. — "Наши головы не похожи на наши ступни, и это потому, что в какой-то момент эмбрион разделяется на две части — переднюю и заднюю".

Это разделение является первым нарушением симметрии оси тела во время развития человека и происходит сразу после прикрепления к матке. Исследователи рассудили, что если они смогут вызвать такое нарушение в своей модели, то их система точно имитирует настоящий эмбрион — по крайней мере, в этот ключевой период.

С этой целью исследователи подвергли свою модель воздействию химических сигналов, которые при беременности выделяются плацентой. В ходе серии экспериментов они обнаружили, что добавление химического вещества, известного как BMP4, надёжно запускает нарушение симметрии.

"Мы добавили BMP4, и через два дня одна часть трёхмерной культуры стала будущим задним отделом, а противоположная часть — будущим передним отделом", — говорит Симунович.

Этот результат имеет значение не только для понимания химии конкретного процесса развития. Теперь, когда учёные могут успешно моделировать эмбриональные события в 3-D, продолжение этих исследований может быть использовано в будущих изучениях осложнений беременности, таких как неудачное прикрепление.

"Около 50–75% эмбрионов не прикрепляются, создавая огромное узкое место для беременности", — говорит Симунович. — "Мы не знаем, почему это происходит, но, используя эту модель, мы, возможно, сможем это выяснить".

Эта система, отмечает Бриванлу, также может быть использована для изучения врождённых заболеваний. "Мы можем создавать 3-D эмбриональные модели генетических состояний и наблюдать за процессом развития в реальном времени", — говорит он. — "Эти модели наконец могут продвинуть понимание широкого спектра заболеваний, для которых мы в настоящее время не знаем, где и когда всё начинает идти не так".