Труднощі ембріональних досліджень

Нам зрозуміло, чому ми хочемо гарно дослідити ембріональний етап розвитку — це цікаво дізнатися як з однієї клітини, хай дуже специфічної та незвичної, як запліднена яйцеклітина, але все одно лише однієї клітини організму під час певного часу формується організм здатний до самостійного функціонування. Адже організм складається з мільйонів клітин, різних тканин всі з яких виконують свої специфічні функції і організовані в специфічні структури. Вся ця складність та сукупність організації виникає з однієї заплідненої яйцеклітини.

Але при цьому ембріональний розвиток — одна з найцікавіших і при цьому погано досліджених тем в біології, особливо у випадку плацентарних ссавців (до яких належить людина). Так, впродовж двох тисяч років, починаючи з Арістотеля і аж до XVII сторіччя переважала хибна думка, що жіночий організм надає ембріону лише місце для існування — утроб, а весь зародок приносить чоловічий матеріал під час запліднення. [1] Це помилка, ми тепер добре знаємо що зигота формується зі злиття материнської яйцеклітини і батьківського сперматозоїда, і від матері передається не лише половина генетичного матеріалу ядра, а ще весь генетичний матеріал мітохондрій у мітохондріалній ДНК. Але така помилка в розумінні біології розвитку сформувалася через те, що технічно дізнатися як відбувається ембріогенез важко, адже всі процеси йдуть непрозоро всередині організму. Цікаво, що така помилкова думка що лише чоловічий матеріал несе в собі зародок майбутньої людини також вплинула на культуру, так чоловіча мастурбація довго вважалася табуйованою і “гріховною” у Західній культурі адже Фома Аквінський, що мав великий вплив на формування культури, вважав що в спермі чоловіка вже міститься майбутній весь зародок, і це аморально витрачати цей матеріал на щось інше ніж як на власне запліднення та вагітність. Тоді як жіноча мастурбація часто оминається як існування такого явища взагалі. [2] Що є цікавим фактом культурології та історії, але не є предметом цього допису, і наведено тут лише як приклад того, що трактування біології розвитку людини має не лише фундаментальний та медичний інтерес, а впливає на культурний розвиток цивілізацій, і тому варто його вивчати і через це також. Так, зараз поставлено гостро питання про легальність та етичність абортів на різних стадіях вагітності, і в цій дискусії для прийняття оптимального рішення варто мати гарне уявлення про ембріогенез людини.

Плацентарні ссавці

Наявністю плаценти ссавці доволі сильно відрізняються від інших тварин. Так у більшості тварин ембріональні стадії проходять поза організмом самиці-матері, хоча сам процес запліднення може відбуватися внутрішньо. Найвідомішим прикладом, з яким зустрічається пересічна людина — є яйце птахів.

Яйце птахів — це яйцеклітина зі складними оболонками. При цьому воно може бути як заплідненим так і ні, і в більшості випадків курячі яйця що потрапляють на ринок не запліднені, отже з них не може утворитися пташеня. Але і у випадку з часто зустрічаємими пташиними яйцями наявна непрозора шкарлупа, яка запобігає вивченню “на око” того, що відбувається всередині, і до появи новітніх технологій способу зазирнути всередину не розбивши яйце не було. А яйце птахів та рептилій — гарний об’єкт досліджень для ембріології, адже воно має всі необхідні поживні речовини і фактори для утворення ембріона, і може бути відкладено у затишне місце і як відбувається з деякими рептиліями, розвинутися у організм абсолютно самостійно, без втручання організму матері.

Також гарним об’єктом досліджень є яйцеклітина невеликих рибок Danio rerio, популярних серед акваріумістів. Їх перевага у тому, що вони прозорі і спостерігати за ембріогенезом доволі легко.

Плацентарні же ссавці відрізняються від інших організмів тим, що вони формують власне плаценту — місток що з’єднує ембріон з організмом матері під час тривалості вагітності. Яйцеклітина ссавців при цьому доволі мала клітина, вона більша за інші клітини цього організму але все одно не перевищує діаметр у десяті частини міліметра (тоді як згадані вище яйця птахів можуть мати десятки сантиметрів в діаметрі). [3] Формування плаценти дозволяє надходження в ембріон поживних речовин необхідних для його росту та розвитку, і яйцеклітина не повинна запасати їх всі одразу. Плацента дозволяє розвинути ембріон до доволі значних розмірів, обмеження на розміри накладаються будовою тазового апарату матері — більший ембріон може мати проблеми під час пологів (рис. 1).

Тут варто нагадати що до ссавців також належать сумчасті (напр. кенгуру) та однопрохідні (напр. єхидна), які плаценту не утворюють: сумчасті доношують дитинчат у сумці, а однопрохідні взагалі відкладають яйця. Поєднує сумчастих, однопрохідних та плацентарних у клас ссавців те що матері кормлять дитинчат молоком.

Нас як представників плацентарних ссавців цікавить саме ембріогенез плацентарних, як з фундаментальної так і з практично-медичної точки зору: велика кількість хвороб і аномалій відбувається саме в ембріональний період, а цей період розвитку людини досліджений найгірше. Чому?

Дослідження плацентарних ссавців

Плацентарність ембріогенезу формує наступні проблеми для досліджень:

I) овуляція та запліднення відбуваються всередині організму (на відміну від зовнішнього запліднення більшості риб). Мікроскопічні дослідження запліднення стали можливими лише в 20 сторіччі.

II) дуже чіткі потреби до навколишнього середовища ембріона (порівняно, скажімо з ембріонами морських їжаків, що розвиваються просто у солоній воді моря): постійна температура і складний коктейль рідини, в якій перебуває ембріон робить спеціальні пристрої в клініках штучного запліднення схожими на техніку з космічного корабля.

III) формування плаценти та весь ембріогенез проходить всередині організму матері, крім стійких потреб до середовища, ембріони є світло-чутливими: сильне світло їх пошкоджує. Більшість сучасної мікроскопії використовує лазери у своїх дослідженнях, це має пошкоджувальний вплив на ембріон.

IV) в проміжок між заплідненням та формуванням плаценти зигота плаває не прикріплено, що є ускладненням для мікроскопічних досліджень — важко тримати об’єкт в полі чіткого фокусування мікроскопа, ембріон просто може виплисти з фокусу.

V) ембріон значно збільшує свої розміри через поділ клітин. Для оптичної мікроскопії це проблема тримання об’єкта в постійному полі зору та у фокусі.

Ці перераховані фактори та низка інших робить дослідження ембріогенезу плацентарних ссавців дуже важкими. Навіть найкраще досліджений об’єкт — миші — вивчено далеко не до кінця.

В кінці 2018 року в журналі Cell опублікована робота Кейті МакДол та її співавторів, присвячена мікроскопії раннього ембріогенезу мишей, що описує технологічні модифікації спеціалізованого мікроскопу та біоінформатичні програми, разом які дозволили в нечуваній деталізації описати та зробити відео-мікроскопію ембріону миші в перші етапи розвитку. [4]

Ранній ембріогенез: бластуляція та гаструляція

Перші дні ембріонального розвитку ссавців відбуваються ще до формування плаценти, і присвячені бластуляції (рис. 2).

Під час переходу заплідненої яйцеклітини до життєздатного ембріона з різними органами треба впоратися з двома задачами: перейти від однієї клітини до багатьох, і зробити це специфічним чином, адже кожна тканина має дуже специфічний набір клітин, які відрізняються по функціям та морфології. Під час бластуляції вирішується питання одноклітинності: запліднена яйцеклітина починає ділитися велику кількість разів, формуючи власне бластулу. Десь на 7 день після запліднення у людини (і на 5 у мишей) відбувається імплантація — утворення плаценти. [5]

Тоді наступає період гаструляції (рис. 2, 3), коли відбувається перше розділення ембріона на пра-тканини, які дадуть початок всім іншим тканинам і органам — так звані зародкові листки. У тварин три зародкових листки — внутрішній, середній і зовнішній. Деякі дослідники вважають що нервову тканину варто вважати четвертим зародковим листком. [6]

У цей момент варто уявити як виглядає ембріон: це такий собі мішок з кількістю клітин порядку тисячі, з порожниною всередині і трьома шарами клітин — зародковими листами (див. рис. 3, “12 день ембріонального розвитку людини”). Це вже зародок який готовий почати формування органів.

І тут починається найцікавіше: клітини починають рухатися на потрібні місця, в цих місцях активно ділитися і формувати зачатки органів.

Це дуже складний, цікавий та погано вивчений процес. Він все ще протікає в невеликому об’ємі: зародок має діаметр в ~1 мм. Клітин там декілька тисяч. І в цьому скупченні деякі клітини в залежності від їхнього оточення і активності генів всередині повинні мігрувати на потрібне місце і утворити там орган.

Власне цьому процесу і присвячена робота по мікроскопії, опублікована Кейті МакДол у Cell. [6]

Команда дослідниці змогла прослідкувати і вивчити всі клітини ембріону миші впродовж 42 годин з моменту початку гаструляції. Це дало змогу дізнатися звідки мігрують клітини, які формують зачатки органів, та проаналізувати утворення нейронної пластинки — зачатку спинного мозку. Це вийшло завдяки створенню мікроскопу та мікроскопічної методики спеціально для досліджень ембріонального розвитку. [6]

Мікроскопія

Методика основана на light sheet microscopy (LSFM) — мікроскопії світлового поля або листка. Це створює настільки низький рівень опромінення препарату, що його це не пошкоджує, а флуоресцентні барвники не вигорають протягом дуже довгого часу. Плюс створення спеціальної системи відстежування за об’єктом що змінює свій розмір та своє положення у розчині дозволило впродовж 2 днів слідкувати за ростом і розвитком ембріону миші з 5 хвилинними інтервалами. Додатково велетенський об’єм отриманих зображень було проаналізовано біоінформатично, бо людині праналізувати стільки інформації займає дуже багато часу. [6]

В результаті тепер відомо набагато більше про ембріогенез ссавців. Можна було відстежити звідки мігрують клітини які утворюють специфічні органи. Та прослідкувати за формуванням зачатку нервової системи — нервової трубки (рис. 4).

Рис. 4. Формування нервової трубки. Зображення: Abitua та Zlir’a [суспільне надбання]

Нервова трубка формується як вигинання зовнішнього шару ембріону — ектодерми. Це вигинання виникає не в будь-якому місці, а в місці клітин що вже мають предиспозицію бути нервовими і формують нервову пластинку. З нервової трубки формується як спинний так і головний мозок.

Цікавим є те що нервова трубка утворюється не з внутрішнього чи середнього шару клітин, а з зовнішнього. Тому впродовж певного часу в ембріона нервова пластинка відкрита і знаходиться на спині у вигляді складки. Далі ця складка починає закриватися шляхом поділу клітин. І цей процес виникає в центральній частині нервової трубки і рухається до голови і до хвоста. Це також допомагає створити головний та кінцевий відділи нервової системи: в голові буде формуватися мозок. Також цікавим є те, що під час формування нервової пластинки деякі клітини мігрують і рухаються вбік від осі нервової трубки і формують такі собі острівці — це клітини нервового гребня. Вони дають зачаток багатьом структурам периферичної нервової системи, що йдуть вздовж хребта.

Те як закривається нервова трубка можна було спостерігати під час даного мікроскопічного дослідження. Розміщення клітин в певній площині, і поділ їх відбувається лише таким чином, що тканина росте, і захлопується як “застібка”.

На рис. 5, “Ембріональний розвиток миші впродовж 42 годин” можна побачити процес гаструляції мишиного ембріона з чітко помітним формуванням нервової трубки:

Рис. 5. Ембріональний розвиток миші впродовж 42 годин. Зображення K. McDole та ін., “In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level.” Cell, Oct. 2018
Сині яскраві плями — індивідуальні клітини. Під час гаструляції відбувається збільшення розміру ембріона. На середній частині зображень видно початок формування нейронної трубки — більш яскравої синьої лінії.

Результати додатково було оформлено у вигляді відео. Авторка цього допису дуже рекомендує його подивитися: по-перше, це красиво.

Кейті МакДол та її співавтори зробили методологію безкоштовно доступною для інших науковців — можна записатися в чергу зі своїм об’єктом досліджень і гарно його вивчити. Тому маємо сподівання що впродовж декількох наступних років ембріологія ссавців стане набагато краще вивченою, дякуючі роботі цієї науковиці та її співробітників.

Список літератури

1. Clift D, Schuh M. Restarting life: fertilization and the transition from meiosis to mitosis. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2013; doi:10.1038/nrm3643
2. Kenny A. New History of Western Philosophy. Oxford University Press; 2012.
3. Coticchio G, Albertini DF. Oogenesis. London: Springer; 2013; doi:10.1007/978-0-85729-826-3
4. McDole K, Guignard L, Amat F, et al. In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level. Cell. 2018; doi:10.1016/j.cell.2018.09.031
5. Tang WWC, Kobayashi T, Irie N, Dietmann S, Surani MA. Specification and epigenetic programming of the human germ line. Nature Reviews Genetics. 2016; doi:10.1038/nrg.2016.88
6. Hall BK. The neural crest as a fourth germ layer and vertebrates as quadroblastic not triploblastic. Evolution & Development. 2000; doi:10.1046/j.1525-142x.2000.00032.x

Зображення запису: Pxfuel [безкоштовне використовування з особистою та комерційною метою]

Першу версію статті було опубліковано під назвою “Труднощі ембріональних досліджень у ссавців” у журналі “З турботою про Жінку” № 4(97) червень, 2019