Учени успяха да отгледат ембрион в епруветка

Миши ембрион, отгледан шест дни извън матката, се оцветява в крайната точка (ден 11) за маркери за развитие, разкривайки нормални модели на експресия на тези маркери. Източник: Weizmann Institute

Да се наблюдава как една малка топка от идентични клетки се превръща в ембрион на бозайник първо, прикрепяйки се към чакаща маточна стена и след това развивайки се в нервна система, сърце, стомах и крайници: Това е Светият граал в областта на ембрионалното развитие от близо 100 години. Проф. Джейкъб Хана от Научния институт „Вайцман“ в Израел и неговият екип успяха да извършат този подвиг. 

Методът, който те създават за отглеждане на ембриони от мишки извън утробата по време на началните етапи след имплантиране на ембриона до по-напредналите етапи, ще даде на изследователите безпрецедентен инструмент за разбиране на програмата за развитие, кодирана в гените, и може да предостави подробна представа за вродените дефекти и тези в развитието като както и свързаните с имплантирането на ембриона. Резултатите от това изследване са публикувани в Nature.

Хана, който е в отдела за молекулярна генетика на Института, обяснява, че голяма част от това, което е известно за развитието на ембрионалните бозайници днес, идва или от наблюдение на процеса при не-бозайници като жаби или риби, които снасят прозрачни яйца, или чрез получаване на статични изображения от дисекция на ембриони на мишка. Идеята за отглеждане на ранни ембриони извън матката до напреднали стадии съществува отпреди 30-те години на миналия век, добавя той, но експериментите, базирани на тези предложения, са имали ограничен успех и ембрионите са били с аномалии.

Екипът на Хана решава да поднови тези усилия, за да подобри изследванията в неговата лаборатория, които се фокусират върху начина, по който програмата за развитие се случва в ембрионалните стволови клетки. В продължение на седем години, чрез проби и грешки, фина настройка и двойна проверка, неговият екип измисля двустепенен процес, в който успява да отглежда нормално развиващи се миши ембриони извън матката в продължение на шест дни - около една трета от 20-дневната бременност при мишките. По това време ембрионите вече имат добре оформено тяло и видими органи. „За нас това е най-загадъчната и най-интересната част от ембрионалното развитие и сега можем да го наблюдаваме и да експериментираме с него в невероятни подробности“, казва Хана.

3/n pic.twitter.com/ERolTnJNIV

— Jacob (يعقوب) Hanna (@jacob_hanna) March 18, 2021

Изследването е ръководено от Алехандро Агилера-Кастрехон, д-р Бернардо Олдак, покойния д-р Рада Масарва и д-р Ноа Новерштерн в лабораторията на Хана и д-р Итай Маза, бивш студент на Хана, който сега е в здравния кампус на Израелския технологичен институт.

За първа стъпка, която продължава около два дни, изследователите започват с няколкодневни миши ембриони - веднага след като са щели да се имлантират в матката. На този етап ембрионите са топки, състоящи се от 250 идентични стволови клетки. Те са поставени върху специална среда за растеж в петри (бел.ред: лабораторна чинийка), екипът кара топките да се прикрепят към тази среда, както към стената на матката. С тази стъпка те успяват да дублират първия етап от ембрионалното развитие, при който ембрионът удвоява и утроява размера си, тъй като се диференцира в три слоя: вътрешен, среден и външен.

След два дни, когато ембрионите навлизат в следващия етап на развитие, формирането на органи от всеки от слоевете, те се нуждаят от допълнителни условия. За тази втора стъпка учените поставят ембрионите в хранителен разтвор в малки епруветки, поставяйки ги на ролки, които поддържат разтворите в движение и непрекъснато се смесват. Това смесване изглежда помага за запазването на ембрионите, които растат без майчин кръвен поток към плацентата, окъпани в хранителните вещества. В допълнение към внимателното регулиране на хранителните вещества в мензурите, екипът се научава, в по-нататъшни експерименти, да контролира внимателно газовете, кислорода и въглеродния диоксид - не само количествата, но и налягането им.

За да провери дали процесите на развитие, които наблюдават в двете стъпки, са нормални, екипът провежда внимателно сравнение с ембриони, отстранени от бременни мишки в съответния период от бременността. наблюденията показват, че както разделянето на слоеве, така и образуването на органи са почти идентични в двете групи. 

В последващи експерименти те вмъкват в ембрионите гени, които обозначават растящите органи във флуоресцентни цветове. Успехът на този опит предполага, че по-нататъшните експерименти с тази система, включващи различни генетични и други манипулации, трябва да доведат до надеждни резултати. „Смятаме, че можете да инжектирате гени или други елементи в клетките, да промените условията или да заразите ембриона с вирус и системата, която демонстрирахме, ще ви даде резултати, съответстващи на развитието в матката на мишка“, казва Хана.

„Ако дадете на ембриона правилните условия, неговият генетичен код ще функционира като предварително зададена линия на домино, подредена така, че частите да падат една след друга“, добавя той. „Нашата цел беше да пресъздадем тези условия и сега можем да наблюдаваме, в реално време, тъй като всяко домино удря следващото по ред.“ Освен всичко друго, обяснява Хана, методът ще намали разходите и ще ускори процеса на изследване в областта на биологията на развитието, както и ще намали нуждата от лабораторни животни.

Всъщност следващата стъпка в лабораторията на Хана ще бъде да се види дали може да се пропусне стъпката за премахване на ембриони от бременни мишки. Той и неговият екип възнамеряват да се опитат да създадат изкуствени ембриони, направени от стволови клетки, за използване в това изследване. Наред с други неща, те се надяват да задействат новия си метод, за да отговорят на въпроси като защо толкова много бременности не успяват да имплантират ембриона, защо прозорецът за имплантиране е толкова кратък, как стволовите клетки постепенно губят своята „стволовост“ с напредването на деленето и какви условия в бременността по-късно могат да доведат до нарушения в развитието.