Человек на 4%
Долю человеческих клеток в химере с мышью подняли до четырех процентов
Полина Лосева, N+1
Американским биологам удалось создать химерные зародыши человека и мыши, в которых доля человеческих клеток составила до четырех процентов. В предыдущих экспериментах клетки человека встраивались в такие зародыши плохо, и их не всегда удавалось обнаружить. Прогресс стал возможен благодаря специальной обработке эмбриональных стволовых клеток человека: исследователи «затормозили» их развитие, синхронизировав их состояние с эмбриональными клетками мыши. В результате человеческие клетки проникли в самые разные органы, от печени до сетчатки. Работа опубликована в журнале Science Advances (Hu et al., Transient inhibition of mTOR in human pluripotent stem cells enables robust formation of mouse-human chimeric embryos).
Химерные зародыши из разных видов млекопитающих – это не только инструмент для изучения эмбрионального развития, но и перспективная биотехнология. Ученые неоднократно предлагали использовать животных как инкубаторы для выращивания человеческих органов. Такие химерные зародыши уже создавали не только для лабораторных организмов – например, мышей и крыс, – но и с участием человеческих клеток.
Так, несколько лет назад были получены химеры человек-свинья, а летом 2019 года испанские ученые заявили о том, что создали в Китае химеру человек-обезьяна. Правда, все эти зародыши уничтожают на ранних стадиях развития, чтобы избежать этических разногласий. И только летом 2019 года японские ученые получили разрешение на то, чтобы не только вводить клетки человека в эмбрион мыши, но также подсаживать химеру в матку беременных мышей.
Проблема состоит вот в чем: на той стадии развития, когда возможно создание химеры, клетки человека и мыши находятся в разных состояниях. Зародыш мыши в этот момент состоит из наивных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) – они способны дать начало всем зародышевым, а также некоторым внезародышевым тканям. Клетки человека на этой же стадии называют примированными ЭСК – из них внезародышевые ткани не получатся, поскольку они уже начали дифференцировку.
Сейчас известно несколько способов перевести ЭСК человека из примированного состояния в наивное – это, например, химические ингибиторы или экспрессия определенных генов (мы также рассказывали об одном механическом способе). Но во всех этих случаях эффективность встраивания в постимплантационный зародыш невысока: в химерах человек-свинья удалось заметить лишь отдельные клетки человека, а в химерах человек-мышь их практически не удается разглядеть.
Цзянь Фэн (Jiang Feng) из Нью-Йоркского государственного университета в Баффало и его коллеги предложили еще один способ решения проблемы. Дело в том, что наивность мышиных ЭСК может быть связана с диапаузой – состоянием, при котором развитие эмбрионов тормозится на время, пока мать вынашивает или выкармливает предыдущее поколение детенышей. Известно также, что диапаузу у мышиных эмбрионов можно вызвать, если заблокировать белковый комплекс mTOR, который подстегивает клеточный обмен веществ. Поэтому Фэн с коллегами предположил, что можно обработать человеческие ЭСК блокаторами mTOR и тем самым синхронизировать их с клетками в зародыше мыши.
Для начала исследователи проверили, что выбранный ими метод работает. Они разработали протокол с участием распространенного блокатора mTOR – рапамицина, а также альтернативного блокатора – Torin1. Полученные колонии наивных ЭСК экспрессировали все необходимые маркеры и образовывали опухоли (тератомы) при введении в организм мыши, то есть удовлетворяли критериям эмбриональных клеток. При этом их функциональные свойства изменились: например, они стали лучше делиться. В то время как исходная культура примированных ЭСК увеличилась в 10 раз за 6 дней, культура наивных ЭСК – почти в 1000 раз. Изменения затронули также экспрессию генов и уровень метилирования ДНК.
Затем авторы работы ввели наивные ЭСК человека, экспрессирующие зеленый флуоресцентный белок, в мышиные морулы – эмбрионы первых дней развития, которые представляют собой просто группу одинаковых клеток. Из химерных морул развились бластоцисты – клеточные шары с рыхлой массой внутри – причем человеческие клетки светились как во внешнем слое, так и во внутреннем. Далее эти бластоцисты подсадили мышам и полученные эмбрионы забирали на анализ вплоть до 17-го дня развития (отсчет с момента оплодотворения). Исследователей интересовало, в какие ткани смогут встроиться клетки человека. В итоге они были обнаружены как в печени (производное внутреннего зародышевого листка, энтодермы), так и в сетчатке (производное внешнего листка, эктодермы), и даже в сердце и костном мозге (производные среднего листка, мезодермы).
Срез химерного зародыша с разной окраской. Зеленый – клетки человека, синими стрелками отмечены места интеграции этих клеток в органы зародыша. 1 – сердце, 2 – сетчатка глаза. Рисунок из статьи Hu et al.
Подсчитав долю общей ДНК человека в химерном зародыше, авторы работы обнаружили, что от 0,14 до 4,06 процентов клеток (в зависимости от конкретного зародыша) были человеческими. По сравнению с предыдущими работами, в которых эти клетки с трудом удавалось обнаружить, здесь можно говорить о стабильном встраивании клеток человека в мышиный зародыш после имплантации.
Чтобы избежать этических споров, исследователи проверили: клетки человека не попали в зачатки половых органов мышей (это одно из строгих ограничений на создание таких химер). Что же касается нервной системы, авторы работы отмечают: хоть отдельные клетки там и были обнаружены, в таком скромном количестве и на таких ранних стадиях они не могли внести существенный вклад в формирование мышиного мозга. Тем не менее, их исследование демонстрирует, что принципиальные трудности в создании химерных зародышей – не столько этические, сколько технические, однако их, в отличие от этических, постепенно удается преодолеть.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru