После объединения человеческой спермы и яйцеклетки новый эмбрион проводит первые несколько недель в виде пузыря. Там нет очевидного верха или низа, и неясно, какие клетки будут давать начало для каких частей тела. Примерно через 14 дней зародыш удлиняется и образует слои, раскрывая приблизительный план тела. Но эта драматическая трансформация, называемая гаструляция, никогда не наблюдалась непосредственно у человеческих эмбрионов: выращивание их до этой стадии в лаборатории технически сложно и этически чревато. Теперь исследователи создали структуры из стволовых клеток человека, которые имитируют некоторые особенности эмбрионов после гаструляции, что может показать, как генетические мутации и химическое воздействие могут привести к выкидышам и врожденным дефектам.

«Это действительно первая… модель, которая позволяет нам изучать постгаструляционное развитие человеческого эмбриона», — говорит Цзяньпин Фу, биоинженер из Мичиганского университета в Анн-Арборе, который не участвовал в новой работе. «Это очень важный шаг».

У исследователей мало окон в первые недели человеческой жизни. Они могут наблюдать избыток эмбрионов, созданных для процедур экстракорпорального оплодотворения, но широко распространенные этические нормы запрещают выращивать их в лаборатории после 14 дней. Эмбрионы от мышей и других животных дают представление о том, как клетки организуются и сигнализируют друг другу в начале развития, но они структурно и генетически отличаются от эмбрионов человека.

Чтобы превратить человеческие стволовые клетки во что-то похожее на эмбрион, исследователи из лаборатории развития биолога Альфонсо Мартинеса Ариаса из Университета Кембриджа и его коллеги изменили метод, разработанный ими для клеток мыши. В 2018 году они показали, что могут создавать удлиненные эмбриональные структуры — так называемые гаструлоиды — подвергая кластеры эмбриональных стволовых клеток мыши воздействию химического вещества, которое активирует сигнальный путь развития, известный как Wnt.

В новом исследовании ученые применили аналогичное лечение к линии клеток, первоначально полученных от человеческого эмбриона, которая потенциально может развиваться в любой тип клеток организма. Всего за 3 дня клетки самоорганизовались в структуру, похожую на человеческий эмбрион, которому примерно от 18 до 21 дня, сообщает команда. Генетический анализ показал, что, подобно эмбриону, эти гаструлоиды имеют клетки, принадлежащие к трем основным «линиям», которые будут продолжать формировать многие ткани организма. А гаструлоиды растягиваются, создавая различные передние и задние концы.

«Это первая модель, которая четко демонстрирует спонтанную организацию человеческих клеток вдоль оси тела», — говорит Арье Вармфлеш, биолог из стволовых клеток в Университете Райса. Изучение гаструлоидов может показать, как передача сигналов между клетками способствует этой самоорганизации, добавляет он. Однако паттерны экспрессии генов в клетках в разных точках гаструлоида несколько дезорганизованы. Например, гены, которые, как ожидается, будут экспрессироваться больше сзади, появляются спереди.

Между тем, некоторые клетки вообще отсутствуют. Например, у новых гаструлоидов нет клеток, которые могли бы формировать мозг. И в отличие от настоящих эмбрионов, они не производят «внезародышевых» клеток, которые позволили бы им имплантироваться в матку и в конечном итоге образовали плаценту. (Предполагается, что такие клетки также способствуют развитию мозга, защищая эмбрион от определенных химических сигналов в матке.) Примерно через 3 дня гаструлоиды перестают развиваться и свернуться, возможно из-за того, что они сгибаются под собственным весом, говорит биолог из Кембриджского университета Наоми Морис, соавтор исследования.

Ясно, что эти гаструлоиды не являются эмбрионами и не превратятся в эмбрионы, говорит Джантин Лунсхоф, философ и специалист по этике Гарвардской медицинской школы. Но, имитируя особенности эмбрионов, такие модели могут «решить множество проблем», говорит она, что позволяет исследователям изучать стадии развития, которые в настоящее время выходят за пределы 14-дневного ограничения на исследования эмбрионов in vitro.

Ничто в этом методе явно не имеет этического значения, соглашается биоэтик Инсо Хен из Университета Case Western Reserve. «Но это поднимает дополнительные вопросы, которые, я думаю, должны быть решены». Например, желание проверить эти гаструлоидные модели, сравнив их с естественным развитием человека, может вызвать проблемы с правилом 14 дней. И если другие ученые хотят включить в эмбрулоиды внезародышевые клетки или предшественники клеток головного мозга, «что мешает кому-то пытаться смоделировать все это?»

Наоми Морис говорит, что у нее нет таких амбиций. В будущих исследованиях будет более подробно рассмотрено, как клетки зародыша самоорганизуются, например, как они образуют сомиты, блоки ткани, которые продолжают формировать структуры в туловище, такие как мышцы и позвонки. Чтобы понять, как этот и другие процессы развития нарушаются, иногда заканчивая беременность или приводя к врожденным дефектам, ее группа стремится представить мутации в стволовых клетках, используемых для создания гаструлоидов, и создать гаструлоиды из «перепрограммированных» клеток у людей с врожденными пороками развития.

Для этих исследований «наличие упрощенной системы моделей действительно выгодно», — говорит она, — «и я думаю, что есть еще больше вопросов, на которые я могла бы ответить за всю свою жизнь».