Во время эмбриогенеза оплодотворенная яйцеклетка превращается в полноценный организм. Однако многое еще неизвестно о процессах, управляющих эмбриональным развитием млекопитающих. Например, как млекопитающие регулируют количество позвонков, составляющих их шипы, или на какой стороне тела должно развиваться сердце?
Время от времени в этих процессах что-то идет не так. Как это произошло? И можем ли мы предотвратить это??
Какие соединения полезны для эмбрионального развития, а какие вредны? Исследования, посвященные этим вопросам, часто требуют использования эмбрионов мыши. Однако эти эмбрионы развиваются внутри матки, и их трудно получить в больших количествах.
Поэтому ученые из лабораторий Александра ван Ауденаардена и Катарины Соннен (Институт Хубрехта) и лаборатории Альфонсо Мартинеса Ариаса (Кембриджский университет) разрабатывают альтернативу: гаструлоиды, эмбрионоподобные структуры, созданные из стволовых клеток в лаборатории.
Сомиты
В 2014 году эти ученые впервые вырастили эмбриоподобные структуры, называемые гаструлоидами, из стволовых клеток мыши. Теперь они еще больше улучшили условия культивирования, чтобы увеличить сходство между гаструлоидами и эмбрионами, что привело к гаструлоидам, которые выращивают сомиты.
Сомиты – это небольшие «блоки» ткани, которые выстилают спину эмбриона и позже образуют позвонки и скелетные мышцы. Таким образом, современные гаструлоиды более сложны и больше напоминают мышиные эмбрионы, чем предыдущие модели. Сюзанна ван ден Бринк (Институт Хубрехта): «Это первый раз, когда нам удалось создать такие сложные эмбрионоподобные структуры, которые воспроизводят эмбриональные стадии развития, которые обычно происходят после имплантации в матку.Винсент ван Батенбург (Институт Хубрехта) добавляет: «Удивительно видеть, что однородная группа клеток может организоваться в подобную эмбриону структуру, которая генерирует сомиты в чашке."
Гаструлоиды и эмбрионы
Ученые провели подробное сравнение гаструлоидов и эмбрионов, изучив, какие типы клеток и ткани присутствуют в этих структурах. Кроме того, они исследовали, где эти типы клеток и ткани расположены вдоль оси тела от головы к хвосту, как у гаструлоидов, так и у эмбрионов. Поскольку комбинация активных генов определяет тип клеток, они могут исследовать эти типы клеток, измеряя, какие гены активны в каком месте, как в эмбрионах, так и в гаструлоидах.
Уровень развития
С этой целью ученые использовали самые современные технологии, такие как секвенирование одной клетки и томо-секвенирование.
Секвенирование одной клетки можно использовать для измерения общего набора активных генов в каждой отдельной клетке, но оно не дает информации о местонахождении этих клеток. Напротив, томо-секвенирование – это метод, при котором эмбрион или гаструлоид разрезают на тонкие срезы, в данном случае от головы до хвоста, после чего активность генов измеряется в каждом из этих срезов.
Подходящая модельная система
Комбинация одноклеточного секвенирования и томо-секвенирования позволила ученым точно измерить, какие типы клеток присутствуют в гаструлоидах и где эти типы клеток располагались вдоль оси гаструлоидов и эмбрионов от головы к хвосту.
Сюзанна ван ден Бринк (Институт Хубрехта): «Мы обнаружили, что гаструлоиды очень похожи на эмбрионы, что делает их очень подходящей модельной системой для изучения эмбрионального развития.Анна Алемани: «Однако важное различие между эмбрионами и гаструлоидами заключается в том, что у гаструлоидов нет мозга или плаценты. Следовательно, эти структуры нежизнеспособны."
Изучение процессов развития
С помощью этого исследования ученые показывают, что гаструлоиды теперь можно использовать для изучения более сложных процессов, происходящих в эмбрионах, таких как процессы, регулирующие образование сомитов. Александр ван Ауденаарден: «Основным преимуществом этой модельной системы является то, что гаструлоиды можно выращивать в больших количествах.
Это означает, что мы можем использовать их для тестирования новых лекарств от дефектов развития или для проверки того, какие соединения токсичны для развивающихся эмбрионов.«Ученые также могут использовать гаструлоиды для изучения того, как появляются эмбриональные дефекты, такие как дефекты во время формирования сердца и мышц.