Найден механизм управления эмбриональными стволовыми клетками человека

Исследование учёных из Рокфеллеровского университета (Rockefeller University) впервые показало, что небольшой кластер стволовых клеток эмбриона определяет дальнейшую судьбу остальных эмбриональных клеток человека. Данное открытие, результаты которого опубликованы в Nature, создаёт новые перспективы для изучения ранних этапов развития человека и может помочь в создании методов лечения широкого спектра заболеваний.

Факторы, определяющие судьбу клетки, до сих пор остаются загадкой. Почему, например, одна эмбриональная стволовая клетка (ЭСК) становится нейроном, а не мышечной клеткой? И почему другая решает сформировать хрящ, а не ткани сердца?

Учёным известно, что ЭСК могут дифференцироваться в любой из специализированных типов клеток организма: костей и мозга, лёгких и печени. Также известно, что особые группы клеток, обнаруженные у эмбрионов амфибий и рыб, управляют формированием структур на ранних этапах развития.

Данные группы, называемые «организаторами», продуцируют молекулярные сигналы, которые определённым образом направляют рост и развитие других клеток. Если клетки-организаторы пересадить от одного эмбриона другому, у последнего начнёт формироваться второй позвоночник и ЦНС, включая спинной и головной мозг.

Однако из-за этических принципов, ограничивающих эксперименты с человеческими эмбрионами, до сих пор не было известно, существуют ли подобные клетки-организаторы у людей.

Для изучения этого вопроса команда под руководством доктора Али Бриванлу (Ali H. Brivanlou) провела серию экспериментов с искусственными человеческими эмбрионами. Для этих целей в лаборатории были получены кластеры клеток, не больше одного миллиметра в диаметре, выращенные из эмбриональных стволовых клеток человека.

И хотя эти искусственные эмбрионы далеки от естественных аналогов, они содержат многие клетки и ткани, которые присутствуют в настоящих человеческих эмбрионах, а значит, они могут быть использованы в качестве экспериментальной модели.

Предыдущие исследования показали, что ранними стадиями эмбрионального развития у мышей и лягушек управляют три различных сигнальных пути. Активируя эти пути в искусственных человеческих эмбрионах в лабораторных условиях, Бриванлу с коллегами показали, что эти же молекулярные сигналы также управляют судьбой клеток человека. Когда данные сигналы передавались в правильной последовательности, искусственные эмбрионы даже начали создавать собственные организаторы.

Однако существует большая разница между процессами, происходящими в чашке Петри и тем, что происходит в настоящем эмбрионе.

Чтобы проверить полученные данные, клетки в искусственных эмбрионах человека пометили флуоресцентным маркером, который позволил визуализировать их под микроскопом. Затем их пересадили в обычные куриные эмбрионы.

Межвидовая трансплантация клеток сопряжена с трудностями: предыдущие попытки команды объединить искусственные человеческие эмбрионы с настоящими эмбрионами мыши оказались чрезвычайно сложными. И никто никогда не трансплантировал человеческие эмбрионы эмбрионам птиц на ранних этапах развития.

Однако в текущем эксперименте клетки человека сразу после пересадки начали создавать основу для формирования второго позвоночника и нервной системы в птичьем зародыше – процесс, явно указывающий на присутствие клеток-организаторов человека.

«К моему удивлению, трансплантат не только выжил, но и фактически создал эти прекрасно организованные структуры», — говорит Бриванлу.

Но больше всего его удивило происхождение данных структур. Клетки хрящевой и костной тканей, из которых в конечном итоге развивался второй позвоночник, происходили полностью из ЭСК человека, однако зачатки нервной ткани, которая должна была развиться в головной и спинной мозг, состояла исключительно из клеток цыплят.

По словам Бриванлу, тот факт, что человеческие клетки способны формировать новые структуры в эмбрионах птиц (животных, которые более близки к динозаврам, чем к нам) показывает, что способность клеток животных выбирать конкретную схему развития сохранялась в течение миллионов лет эволюции.

Кроме того, тот факт, что клетки человека способны направлять развитие клеток цыплят в нервную ткань также говорит о том, что молекулы, участвующие в клеточных коммуникациях – сигналах, которые клетки посылают друг другу для управления развитием, сохранились с древних времён.

«Пересаженный организатор человека использует тот же «язык», что используется у амфибий и рыб для формирования клетками птиц мозга и нервной системы», — говорит Бриванлу.

Понимание того, как недифференцированные стволовые клетки становятся конкретным типом ткани очень важно для регенеративной медицины, которая основана на использовании стволовых клеток в восстановлении и омоложении повреждённых тканей, и даже замене их на новые, специально для этого выращенные.

Кроме того, метод трансплантации с использованием цыплят, разработанный Бриванлу и его коллегами, представляет собой мощный инструмент для изучения ранних этапов развития человека, который команда из Рокфеллеровского университета уже использует в других исследованиях.