Никотин поражает эмбрионы человека на уровне индивидуальных стволовых клеток

Учёные выяснили, что никотин на клеточном уровне индуцирует целый ряд широко распространенных патологий при эмбриональном развитии человека. Одноклеточное РНК-секвенирование эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) человека показало, что трёхнедельное воздействие никотина нарушает межклеточные связи, снижает выживаемость клеток и изменяет экспрессию генов, которые регулируют важнейшие функции, такие как, например, сокращения сердечной мышцы.

Авторы работы, опубликованной 28 февраля в Stem Cell Reports, сообщают, что созданная ими из стволовых клеток модель даёт новое представление о влиянии никотина на органы и отдельные стволовые клетки развивающегося плода и может быть использована для оптимизации скрининга токсичности лекарств и окружающей среды.

«Данные результаты особенно важны, поскольку обеспечивают научную базу для обучения общественности, особенно молодых женщин, воздержанию от курения, при беременности или при планировании семьи», — говорит старший автор исследования Джозеф К. Ву (Joseph C. Wu) из Школы медицины Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine).

«Никотин, содержащийся в таких продуктах как табак, электронные сигареты и никотиновые жевательные резинки может оказывать обширное негативное воздействие на различные органы развивающегося эмбриона во время беременности».

Курение матери во время беременности – известный фактор риска появления врожденных дефектов, например, задержки роста. Также оно может спровоцировать выкидыш и преждевременные роды. Известно, что курение тесно связано с долгосрочными неблагоприятными последствиями в психофизиологической, сердечно-сосудистой, дыхательной, эндокринной и метаболической сферах развития детей.

Никотин, основной химический компонент сигарет, является главным фактором повышенного риска. К сожалению, создание и широкое распространение новых видов табачных изделий, содержащих никотин, таких как электронные сигареты, сводит на нет достигнутый в последнее время прогресс в сокращении потребления табака.

Большое количество исследований выявило негативное влияние никотина на моделях животных, главным образом на грызунах. Эксперименты показали, что воздействие никотина во время беременности оказывает пагубное воздействие на развитие плода. Однако из-за межвидовых различий остаются сомнения, могут ли эти результаты проецироваться на людей.

Поскольку исследования токсичности никотина проводились с использованием массового РНК-секвенирования, они не позволяли учёным изучить негативные эффекты на уровне одной-единственной клетки. Поэтому воздействие никотина на эмбриональное развитие человека и лежащие в его основе молекулярные механизмы остаются малоизученными.

Чтобы подробно исследовать данный процесс, Ву и его коллеги использовали технологию секвенирования РНК отдельных клеток. Они анализировали последствия 21-дневного воздействия никотина на транскриптомы в общей сложности 12 500 клеток, полученных из эмбриоидных тел, представляющих собой 3-D агрегаты различных типов плюрипотентных стволовых клеток, которые дают начало развитию мозга, сердца, печени, кровеносных сосудов, мышц и других органов. Учёные обнаружили, что выживаемость клеток снижается, подтверждая предположение о том, что никотин может повлиять на развитие эмбриона уже в предимплантационный период.

Воздействие никотина также повышало уровень агрессивных молекул, известных как активные формы кислорода, приводило к уменьшению размера эмбриональных тел, аномалиям их формирования и дифференцировки. Кроме того, воздействие никотина изменило клеточный цикл в популяциях клеток-предшественниц, сформированных из эмбриональных стволовых клеток, и привело к нарушению межклеточных коммуникаций, что является ещё одним малоизученным негативным эффектом.

«Это важно, поскольку известно, что курение и никотин увеличивают риск патологий в эндокринной, репродуктивной, дыхательной, сердечно-сосудистой и нервной системах, в основе которых лежат сложные и динамические взаимодействия между несколькими типами клеток для их функционирования и поддержания гомеостаза», — говорит Ву.

Исследователи также обнаружили, что воздействие никотина приводит к изменению экспрессии генов, участвующих в митохондриальных функциях, в реакции на токсичность металлов, влияющих на пороки развития мозга, умственную отсталость, развитие мышц и заболевания легких, а также генов, связанных с Ca2+ аритмиями, которые влияют на сократимость клеток сердечной мышцы.

«Главным значением нашего исследования является то, что мы создали новый метод оценки влияния препаратов и токсичности окружающей среды на эмбриональное развитие человека», — говорит Ву. «Однако одно из главных препятствий состоит в том, что мы не способны воспроизвести физиологию всего тела беременной женщины, используя дифференциацию ЭСК в эмбриональные тела. Например, влияние физических упражнений, стресса, питания или гормональных изменений в этой модели не учитывается».

В дальнейшем исследователи планируют продолжить изучение механизмов возникновения врожденных дефектов плода, вызванных влиянием никотина.

«Мы надеемся, что нам удастся найти новые биомаркеры, которые помогут врачам эффективнее предотвращать, диагностировать и лечить данные заболевания», — говорит Ву. «Кроме того, мы планируем использовать нашу модель эмбриоидных тел на основе ЭСК человека и технологию секвенирования отдельных клеток для изучения более широкого воздействия других вредных условий, таких как загрязнение воздуха, на эмбриональное развитие человека».