Що можуть і чого не можуть робити синтетичні ембріони зараз і в майбутньому

Магдалена Зернічка-Ґетц — професор біології та біологічної інженерії Брена в Каліфорнійському технологічному інституті та професор біології та розвитку стовбурових клітин у Кембриджському університеті.

У цьому інтерв’ю ми обговорюємо останні досягнення в технологіях, які дозволяють нам використовувати стовбурові клітини для створення ембріоноподібних структур з мозком і навіть серцем, що б’ється в тарілці. Ми досліджуємо, як побудовані ці «синтетичні» ембріони та межі їхньої схожості з природними ембріонами, вирощеними із заплідненої яйцеклітини. Вона також пояснює, як вони можуть допомогти нам зрозуміти, чому не вдається вагітність, як побудувати органи з нуля і навіть як омолодити старіючі тіла. Але спочатку вона розкриває ключове розуміння, яке дозволило нам вирощувати ці моделі ембріонів у посуді довше, ніж будь-коли раніше: клітини, з яких складається тіло, не можуть робити це самі.

---

Що таке синтетичний ембріон і для чого його можна використовувати?

МАЙБУТНЄ: Для початку, чи можете ви пояснити, що таке синтетичний ембріон?

МАГДАЛЕНА ЗЕРНІЦКА-ГЕТЦ: Я насправді не дуже люблю цей термін, чесно кажучи. Це збиває з пантелику, тому що люди будуть дивуватися, з чого це зроблено? 

Але ми використовуємо це тому, що це ярлик сказати, що ми синтезували ембріоноподібну структуру з будівельних блоків. У нашій лабораторії ми використовуємо три види будівельних блоків. Один будівельний блок відображає стовбурову клітину для кожного окремого типу клітин, які будуватимуть наше доросле тіло. Це називається ембріональна стовбурова клітина. А два інші будівельні блоки — стовбурові клітини для так званих екстраембріональних структур. Один з них відомий, це плацента. Це та, яка з'єднує дитину з тілом матері, через яку дитина буде харчуватися. Друга з цих екстраембріональних структур менш відома, але вона називається жовтковим мішком. Це такий собі мішок, в якому буде рости ембріон.

Загалом, які речі ми можемо захотіти зробити з моделями синтетичних ембріонів?

Так, наприклад, ми показали, що ці моделі можна використовувати для розуміння функції конкретних генів, які є критичними для деяких стадій розвитку. Ми знаємо, наприклад, що існує ген, важливий для розвитку мозку та очей. Але ми не знаємо точно, як це функціонує на реальних моделях ембріонів миші, тому що ми не можемо так точно прослідкувати весь процес від початку до кінця. Тож тепер ви можете використовувати ембріональні стовбурові клітини, у яких ви можете видалити цей ген і дізнатися більше про те, на якому етапі розвитку цей ген важливий і для чого. Ви також можете видалити ці гени в різні моменти часу та побачити наслідки. 

Воно не зможе рости й розвиватися, як ми, але воно може дати нам важливе розуміння фрагментів життя, які на даний момент є повною таємницею.

Ми також можемо розглянути роль певного середовища або конкретних метаболітів. Наприклад, вагітним жінкам рекомендується приймати фолієву кислоту, оскільки вона сприяє розвитку нервової системи. Але на якому саме етапі важливо, що це насправді робить? 

Чи є можливість краще зрозуміти, чому так багато вагітностей закінчуються дуже рано, враховуючи, що ці моделі моделюють однакові ранні стадії розвитку? 

Так, точно. Дуже важливо розуміти, що більшість вагітностей зазнають невдачі в той час, коли ми навіть не знаємо, що вагітні. Перші два тижні розробки дуже крихкі, тому що є основні етапи, які потрібно досягти в потрібний час. 

По-перше, ми повинні виробити стовбурові клітини для цих трьох тканин, про які я згадав, двох екстраембріональних, однієї ембріональної. Ми повинні створити їх у правильний спосіб, а потім ці тканини повинні взаємодіяти одна з одною. Але час також має значення. Не можна продовжувати вагітність, скажімо, до 15 місяців. Це показує, що конкретні етапи повинні бути досягнуті в певні моменти часу.

Only один тип стовбурових клітин дійсно будує тіло, але два інших є керівними силами, трохи схожими на матір і батька.

Отже, коли ці віхи розвитку відбуваються неправильно, або вони затримуються, або відбуваються занадто рано, ембріони абортуються. Або коли зв’язок між цими трьома типами клітин є якимось ненормальним або не відбувається взагалі, ембріони знову абортуються. Ось чому так багато вагітностей не вдається. Тепер, маючи ці моделі, ми можемо дослідити, як ми можемо захистити дитину в тілі матері. Це надія, і це дуже важлива мотивація для мене. 

Хочу підкреслити, що зараз ми говоримо про синтетичні моделі ембріонів миші. Але очевидно, що це свого роду прототип для побудови тривимірних моделей людського ембріона, але навіть тоді це не буде насправді людський ембріон. Воно не зможе рости й розвиватися, як ми, але воно може дати нам важливе розуміння фрагментів життя, які на даний момент є повною таємницею.

Тож де ми з моделями синтетичних ембріонів людини чи навіть культивуванням людських ембріонів in vitro?

Отже, моделей людського ембріона ще немає. Наскільки мені відомо, ще не існує цілої ембріоноподібної структури, побудованої зі стовбурових клітин людини. Коли ми почали будувати моделі ембріонів миші, отримані зі стовбурових клітин, багато людей запитували, чому ми не робимо це зі стовбуровими клітинами людини, і я впевнений, що багато моїх колег намагаються побудувати подібну модель, використовуючи стовбурові клітини людини. Але це не тривіально. По-перше, стовбурові клітини людини та миші розвиваються не однаково. Для утримання в культурі їм потрібні різні умови. Щоб переконатися, що ми знаємо, як це зробити, модель миші буде прототипом. 

Тим не менш, багато людей, включаючи нас, використовують стовбурові клітини людини в культурі для побудови тривимірних тканин або фрагментів ембріонів. Ми використовуємо їх, щоб зрозуміти, наприклад, як утворюється амніотична порожнина (закритий міхур, який містить амніотичну рідину). Чи зможемо ми виправити його розвиток, коли він піде не так?

Але це лише фрагмент людського ембріона, модель на ранніх стадіях імплантації в стінку матки. Наразі ми можемо культивувати людські ембріони лише до так званого 14-го дня межа, де ми не можемо пройти. 

Створення ембріоноподібних структур у лабораторії

Це захоплююче. Отже, як створити синтетичний ембріон миші?

Те, як ми створюємо ці синтетичні моделі ембріонів у нашій лабораторії, є унікальним. Ми розробили цей підхід, розуміючи, як ембріон будує себе в природному житті, і використовуємо уроки ембріона, щоб імітувати цей процес у лабораторії в чашці Петрі. 

Тому ми використовуємо три типи стовбурових клітин. Ми намагаємося зібрати їх у правильних пропорціях, створити правильне середовище, щоб три типи клітин і клітини, які з них виникнуть, були щасливі і бажали спілкуватися одна з одною. 

Ось що важливо: використовувати три типи клітин, а не одну, тому що зазвичай розвиток відбувається через взаємодію між трьома типами клітин. Тільки один тип стовбурових клітин дійсно будує тіло, але два інших є керівними силами, трохи схожими на матір і батька.

Я ніколи раніше не описував це так, але ви можете подумати про це так, тому що ці два інших типи клітин надають інструкції та сигнальну інформацію, але вони також будують своєрідний дім для ембріона, який живиться.

Перемотаємо трохи назад. Ця галузь досягла значного прогресу за останні кілька років. Чи можете ви сказати мені, які дійсно важливі орієнтири були з точки зору прогресу в створенні цієї моделі ембріона?

Маю сказати два загальновідомі факти. По-перше, ембріональні стовбурові клітини можна підтримувати в культурі і розмножувати в культурі необмежено довго. Це було відкриття Мартіна Еванса, який отримав за це Нобелівську премію. Ми знали, що якщо ви візьмете кілька таких клітин і помістите їх разом з ембріоном, вони зможуть зробити свій внесок у дорослі тканини.

Тож ми знали, що стовбурові клітини мають такий магічний потенціал. Але ми не знали, і що було проривом близько 10 років тому, чи зможемо ми створити ембріони виключно з цих клітин, без ембріона-господаря. Звичайно, це не було раптово, а крок за кроком. Але ми навчилися це робити, спочатку спостерігаючи, як це робить ембріон.

Існує дуже рання стадія розвитку, яка називається стадією імплантації ембріона, про яку ми знаємо дуже мало, особливо про людей. Перші кілька днів розробки до цього етапу досить добре відпрацьовані. Три типи клітин, про які я говорив, виникають протягом цих перших кількох днів. 

[Ці] моделі важливі не тільки для розуміння ембріогенезу, а й для розуміння генезису окремих тканин, які будують наші дорослі органи. Ми намагаємося визначити основні правила, яких необхідно дотримуватися.

Після формування цих трьох типів клітин вони починають спілкуватися між собою. Але те, як вони спілкуються, було недостатньо відомо, оскільки це час, коли ембріон вторгається в тіло матері під час процесу, який називається імплантацією. Ми не могли імітувати цей процес in vitro, тому ми не могли його спостерігати. Отже, нашим першим кроком була розробка способу культивування справжніх ембріонів, мишей і людей на цьому етапі в лабораторії.

Як тільки ми змогли цього досягти, ми змогли стежити за клітинами, маркувати їх і відстежувати, щоб визначити час, коли вони розмножуються і взаємодіють одна з одною. Слідкуючи за цими подіями, ми зрозуміли, що тепер ми знаємо достатньо, щоб мати змогу імітувати ці події за допомогою стовбурових клітин, що представляють три тканини. 

Це була подорож, і першою, найважливішою віхою було з’ясувати, як це робить ембріон. Зокрема, розуміючи, що ембріон отримує інструкції з двох позазародкових тканин. Так далеко, ми побудували п’ять моделей, додавши різні комбінації екстраембріональних клітин до ембріональних. The перша модель була опублікована в 2014 році, а остання модель була щойно опубліковано.

Розкажіть мені про наступний крок. Що було досягнуто за допомогою цієї нової моделі щодо того, наскільки прогресують ембріони та що ви можете побачити на них? І як вони виглядають у порівнянні із заплідненою яйцеклітиною, яка розвивається в ембріон?

Остання модель зараз розвивається до того моменту, коли утворюються голова, серце і соміти (сегменти вздовж осей тіла). Це неймовірно, тому що ми не були впевнені, чи будуть ці ембріоноподібні структури достатньо хорошими для досягнення цих етапів. Там є всі прабатьки мозку, а структура серця б’ється і качає кров. 

Уроки раннього ембріона також можуть навчити нас, як омолодити тканини, тому що ембріональні тканини — це молоді тканини.

Тож наскільки вони схожі на природних ембріонів? Вони дуже схожі, але не ідентичні. Це дуже цікаво, тому що тоді ви можете стежити за розвитком моделей, які майже ідентичні, і тих, які не є, щоб зрозуміти основні принципи, яких ми повинні дотримуватися, щоб зробити певний тип тканини або органу ідеальними.

Ось чому ці моделі важливі не тільки для розуміння ембріогенезу, а й для розуміння генезису окремих тканин, які будують наші дорослі органи. Ми намагаємося визначити основні правила, яких необхідно дотримуватися, щоб ці події відбулися належним чином. Ви можете почати розуміти, що відбувається, і оскільки ви дозволяєте ембріону будувати себе, ви можете розробити механізми цього процесу та коли вони йдуть не так.

Куди можуть привести синтетичні ембріони

Розкажіть мені трохи більше про те, що ви особисто хочете зробити з цими моделями. Чи є конкретні запитання чи проблеми, які ви хочете вирішити?

Мої основні інтереси подвійні. Перше — зрозуміти, як створюється життя. Отже, я використовую цю модель, щоб спробувати по-справжньому зрозуміти цю таємничу фазу життя, коли клітини вперше спілкуються одна з одною, щоб створити щось таке складне, як ми самі. Але це також час, коли більшість вагітностей заривається. Якщо ми зможемо це зрозуміти, ми зможемо в майбутньому допомогти запобігти цим невдачам. Це наша надія.

Це трохи схоже на те, як побудувати будинок, чи не так? Ви не покладаєтеся на будівельні блоки, щоб розібратися самі.

Уроки раннього ембріона також можуть навчити нас, як омолодити тканини, тому що ембріональні тканини — це молоді тканини. Таким чином, це вчить нас будувати наші органи та тканини. Сподіваюся, знання з них дослідження — крок за кроком — будуть використані для трансплантації органів або відновлення органів у наших дорослих тілах, коли вони виходять з ладу.

Чи існують перешкоди, технічні чи наукові, які стримують розвиток і використання цих моделей?

Так, в основному навколо технології створення ембріоподібних структур. Коли ми об’єднуємо ці три типи стовбурових клітин, ми покладаємося на сили між ними, щоб створити правильний ембріон. Іноді це виходить добре, іноді це не дуже добре. Ми бачимо цю мінливість структур. Отже, нам доведеться розробити інструменти, щоб краще контролювати ці події. 

Наприклад, на цій конференції, яку я зараз відвідую, я витратив час на обговорення оптогенетики з колегою. Використовуючи світло, він може стимулювати певні реакції клітини. Отже, чи можемо ми використовувати ці оптогенетичні підходи, щоб допомогти нам керувати процесом самоорганізації? 

Як керувати процесом?

Для організації конкретних подій. Наприклад, коли ми думаємо про створення тканин і органів, які можуть замінити пошкоджені, щоб зробити це ефективно, нам потрібно зрозуміти, як ми можемо їх сконструювати. Це трохи схоже на те, як побудувати будинок, чи не так? Ви не покладаєтеся на будівельні блоки, щоб розібратися самі. Або, якби будівля була не ідеальною, це було б неприпустимо. Ми хотіли б керувати процесом будівництва, щоб забезпечити контроль якості. 

Отже, ми ще не здатні бути інженерами чи архітекторами. Натомість ми намагаємося створити середовище, у якому ембріон міг би будувати себе, розуміти цей процес і стежити за ним, допомагати йому чи заважати йому. Але ми ще не в процесі тканинної інженерії. Тканинна інженерія дуже, дуже важлива, і це буде майбутнє заміни органів. Так багато пацієнтів чекають на трансплантацію печінки чи інших органів, які відмовляють, і це справді трагічно. Якщо ми зможемо створити та відновити ці органи, використовуючи знання, отримані в результаті наших досліджень, це буде неймовірно. Те, що ми робимо і чим займаються багато моїх колег — так звана біоінженерія тканин — це те, куди це піде в майбутньому.

Опубліковано 30 серпня 2022 р