Мышиный эмбрион с бьющимся сердцем впервые вырастили в пробирке
Самые сложные формы жизни, когда-либо созданные полностью в чашках Петри, могут перекачивать кровь через крошечные бьющиеся сердца, постепенно растущие нервы и мышцы.
Эти небольшие скопления клеток млекопитающих образуют рудиментарные эмбрионы мыши, построенные с нуля из стволовых клеток - клеток, которые могут развиться в любой другой тип клеток в организме.
Хотя ученые уже некоторое время успешно создают синтетические органы, называемые органоидами, им не хватает всего разнообразия типов клеток, которые можно найти в реальной жизни. Этот эмбриоид мыши намного сложнее.
"Наблюдать за развитием эмбриона - это изумительное зрелище", - сказала один из авторов исследования Кристин Тисс, биолог развития, из Университета Вирджинии.
"Что удивительно, так это то, что мы можем получить разнообразие тканей, которые присутствуют в подлинном эмбрионе мыши. [Эта] модель показывает, что мы можем побуждать клетки выполнять сложные программы развития в правильной последовательности шагов".
Эмбриоид - это не полноценная нерожденная мышь, и он не может полностью развиться в одну, так как ключевые части все еще отсутствуют - например, гигантский кусок мозга. Но сложность этого эксперимента делает исследователей огромным шагом к созданию полностью функциональных органов в лаборатории.
"Человеческие органы состоят из нескольких типов клеток, которые происходят из разных частей растущего эмбриона", - сказал биолог развития Бернар Тисс. "Кишечник, например, состоит из клеток, которые образуют полую трубку. Были изготовлены модели этой трубки в чашке, которые называются органоидами кишечника".
"Однако этой трубки недостаточно для создания функционального кишечника, потому что этот орган содержит другие компоненты, такие как гладкие мышцы, кровеносные сосуды и нервы, которые контролируют функцию кишечника и которые сделаны из клеток различного происхождения".
"Единственный способ получить все разнообразие клеток, необходимых для формирования функциональных органов, - это разработать системы, в которых присутствуют все клетки-предшественники. Эмбрионоподобные сущности, которые мы создали с использованием стволовых клеток, обеспечивают именно это".
Разработка этих полностью функционирующих биологических систем требует правильного решения множества вещей, таких как правильный тип клеток, пространственное расположение и синхронизация клеточных сигналов, чтобы получить желаемый результат. Синтетическое воссоздание этих сложных процессов возможно только благодаря многим поколениям исследований в области биологии развития, включая предыдущие исследования этой группы рыбок данио.
Многие предыдущие попытки были основаны на этом. В них отсутствовали такие вещи, как целые типы тканей, они не формировали структуру головы, не могли правильно организовать ткани или развиваться до эмбриональной стадии, называемой гаструляцией.
Многие из этих проблем связаны с необходимостью пространственно ограничить химические сигналы развития внутри формирующегося эмбриоида. Тисс и его коллеги разработали способ сделать это в своих экспериментах на рыбках данио, создав центры для сигнальных химических веществ, которые обеспечивают кластерам клеток чувство направления - назад и вперед, голову и хвост.
Затем они могли контролировать время, размер и силу этих сигналов.
Их работа теперь завершилась этими чудесно функционирующими мышиными эмбрионами со всеми нормальными слоями ранней эмбриональной ткани. Правильно организованные клетки и ткани расположены должным образом вокруг эмбриоидного предшественника спинного мозга (хорды), включая развивающуюся пищеварительную, мышечную, нервную и сердечно-сосудистую системы и бьющееся сердце.
Однако у эмбриоида все еще отсутствуют части мозга, и команда подозревает, что это может быть связано с тем, что химический сигнал, сообщающий клеткам, что они находятся на торце (называемый морфогеном WNT), распространяется слишком далеко.
"С помощью разработанных нами методов мы сможем в какой-то момент манипулировать молекулярными сигналами, которые контролируют формирование эмбриона, и это должно привести к созданию эмбрионоподобных образований, содержащих все ткани и органы, включая передний мозг", - сказал Бернар Тисс. Читай также: В лаборатории создали первые полные модели человеческого эмбриона Исследователи надеются узнать, как полностью контролировать и управлять развитием эмбрионов, и думают, что это может стать мощным инструментом для изучения болезней.
"Создание всего разнообразия тканей позволяет нам надеяться, что научное сообщество сможет создавать органы с надлежащей васкуляризацией, иннервацией и взаимодействием с другими тканями", - сказала Кристин Тисс.
"Это необходимо для того, чтобы однажды иметь возможность производить функциональные замещающие человеческие органы в чашке. Это позволило бы преодолеть нехватку органов для трансплантации".