Американським біологам вдалося створити хімічні зародки людини і миші, в яких частка людських клітин склала до чотирьох відсотків. У попередніх експериментах клітини людини вбудовувалися в такі зародки погано, і їх не завжди вдавалося виявити. Прогрес став можливий завдяки спеціальній обробці ембріональних стовбурових клітин людини: дослідники «загальмували» їх розвиток, синхронізувавши їх стан з ембріональними клітинами миші. У результаті людські клітини проникли в різні органи, від печінки до сітківки. Роботу опубліковано в журналі.
Хімерні зародки з різних видів ссавців - це не тільки інструмент для вивчення ембріонального розвитку, а й перспективна біотехнологія. Вчені неодноразово пропонували використовувати тварин як інкубатори для вирощування людських органів. Такі хімерні зародки вже створювали не тільки для лабораторних організмів - наприклад, мишей і щурів, - але і за участю людських клітин.
Так, кілька років тому були отримані химери людей-свиня, а влітку 2019 року іспанські вчені заявили про те, що створили в Китаї химеру людина-мавпа. Правда, всі ці зародки знищують на ранніх стадіях розвитку, щоб уникнути етичних розбіжностей. І тільки влітку 2019 року японські вчені отримали дозвіл на те, щоб не тільки вводити клітини людини в ембріон миші, але також підсаджувати химеру в матку вагітних мишей.
Проблема полягає ось у чому: на тій стадії розвитку, коли можливо створення химери, клітини людини і миші знаходяться в різних станах. Зародок миші в цей момент складається з наївних ембріональних стовбурових клітин (ЕСК) - вони здатні дати початок всім зародковим, а також деяким позазародишевим тканинам. Клітини людини на цій же стадії називають примированими ЕСК - з них позазародишеві тканини не вийдуть, оскільки вони вже почали диференціювання.
Зараз відомо кілька способів перевести ЕСК людину з примированого стану в наївний - це, наприклад, хімічні інгібітори або експресія певних генів (ми також розповідали про один механічний спосіб). Але у всіх цих випадках ефективність вбудовування в постімплантаційний зародок невисока: в химерах людина-свиня вдалося помітити лише окремі клітини людини, а в химерах людина-миша їх практично не вдається розгледіти.
Цзянь Фен (Jiang Feng) з Нью-Йоркського державного університету в Баффало і його колеги запропонували ще один спосіб вирішення проблеми. Справа в тому, що наївність мишачих ЕСК може бути пов'язана з діапаузою - станом, при якому розвиток ембріонів гальмується на час, поки мати виношує або вигодовує попереднє покоління дитинчат. Відомо також, що діапаузу у мишачих ембріонів можна викликати, якщо заблокувати білковий комплекс mTOR, який підстьобує клітинний обмін речовин. Тому Фен з колегами припустив, що можна обробити людські ЕСК блокаторами mTOR і тим самим синхронізувати їх з клітинами в зародку миші.
Для початку дослідники перевірили, що обраний ними метод працює. Вони розробили протокол за участю поширеного блокатора mTOR - рапаміцину, а також альтернативного блокатора - Torin1. Отримані колонії наївних ЕСК експресували всі необхідні маркери і утворювали пухлини (тератоми) при введенні в організм миші, тобто задовольняли критеріям ембріональних клітин. При цьому їх функціональні властивості змінилися: наприклад, вони стали краще ділитися. Тоді як вихідна культура примиваних ЕСК збільшилася в 10 разів за 6 днів, культура наївних ЕСК - майже в 1000 разів. Зміни торкнулися також експресії генів і рівня метилювання ДНК.
Потім автори роботи ввели наївні ЕСК людини, що експресують зелений флуоресцентний білок, в мишачі морули - ембріони перших днів розвитку, які являють собою просто групу однакових клітин. З хімічних морул розвинулися бластоцисти - клітинні кулі з пухкою масою всередині - причому людські клітини світилися як у зовнішньому шарі, так і у внутрішньому. Далі ці бластоцисти підсадили мишам і отримані ембріони забирали на аналіз аж до 17-го дня розвитку (відлік з моменту запліднення). Дослідників цікавило, в які тканини зможуть вбудуватися клітини людини. У підсумку вони були виявлені як у печінці (похідне внутрішнього зародкового листка, ентодерми), так і в сітківці (похідне зовнішнього листка, ектодерми), і навіть у серці та кістковому мозку (похідні середнього листка, мезодерми).
Підрахувавши частку загальної ДНК людини в хімерному зародку, автори роботи виявили, що від 0,14 до 4,06 відсотків клітин (залежно від конкретного зародка) були людськими. У порівнянні з попередніми роботами, в яких ці клітини насилу вдавалося виявити, тут можна говорити про стабільне вбудовування клітин людини в мишачий зародок після імплантації.
Щоб уникнути етичних суперечок, дослідники перевірили: клітини людини не потрапили в зачатки статевих органів мишей (це одне із суворих обмежень на створення таких химер). Що ж стосується нервової системи, автори роботи зазначають: хоч окремі клітини там і були виявлені, в такій скромній кількості і на таких ранніх стадіях вони не могли внести істотний внесок у формування мишиного мозку. Тим не менш, їх дослідження демонструє, що принципові труднощі у створенні хімерних зародків - не стільки етичні, скільки технічні, проте їх, на відміну від етичних, поступово вдається подолати.
Раніше ми розповідали про те, що вченим вдалося отримати повноцінний зародок миші з однієї соматичної клітини. Зародки людини, тим часом, вдалося культивувати до стадії більше двох тижнів. А у ранніх людських ембріонів виявили перші ознаки старіння.