Исследователи погрузили эмбрионы мыши в анабиоз на месяц без негативных последствий
Бластоцисты в анабиозе
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско нашли способ приостановить развитие эмбрионов мышей до одного месяца в лаборатории. Ученые уверены, что их исследование потенциально может оказать влияние на вспомогательные репродуктивные технологии, регенеративную медицину, остановить старение и рак.
В своем исследовании ученые провели эксперимент с эмбрионами на ранней стадии развития, называемыми бластоцистами. Они обнаружили, что препараты, которые подавляют активность главного регулятора клеточного роста — белка mTOR, могут погрузить эмбрионы в стабильное и обратимое состояние анабиоза. Как правило, эмбрионы могут оставаться на стадии бластоцисты в лабораторных условиях не более двух дней. Но терапия с ингибиторами mTOR продлевает это состояние до четырех недель.
Ведущий автор исследования Айдан Булут-Карсиоглу и его коллеги продемонстрировали, что приостановленные в развитии эмбрионы быстро возобновляли нормальный рост, когда ученые переставали вводить ингибиторы регулятора клеточного роста. Когда эмбрионы вернули в тело матери, из них развилось здоровое потомство.
Открытие стало неожиданностью для исследователей, которые намеревались изучить, как подавление mTOR замедляет рост клеток бластоцисты, а не найти способ погрузить эмбрионы «в спячку». Последующие эксперименты показали, что эмбриональные стволовые клетки, полученные из эмбриона на стадии бластоцисты, также можно погрузить в состояние анабиоза ингибиторами регулятора клеточного роста. По всей видимости, препараты действуют за счет снижения активности гена в большей части генома, за исключением нескольких доминантных генов, которые сами по себе могут подавлять активность других. Исследователи проверили ряд различных ингибиторов mTOR и обнаружили, что наиболее эффективным является новый синтетический препарат Rapa-Link, который недавно разработала лаборатория Кевана Шоката в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.
Исследователи полагают, что состояние анабиоза можно продлить и на более долгий срок, чем 30 дней. Спящие бластоцисты в конце концов умирают, когда у них заканчивается запас метаболитов. Если ученые найдут способ поставлять питательные вещества в среду культивирования, клетки выдержат и более длительную спячку. Но пока исследователи не знают наверняка, в каких конкретно веществах нуждаются бластоцисты в анабиозе.
Авторы исследования продемонстрировали, что состояние покоя, которое они вызвали в бластоцисте, блокируя mTOR, было почти идентично врожденной способности мышей приостановить беременность на ранних стадиях. Этот временный застой — диапауза — встречается у многих млекопитающих, от мышей до сумчатых валлаби. Так беременные самки могут задерживать развитие плода, когда недостаточно пищи. Белок mTOR в такой ситуации выступает регулятором сроков развития, который работает как датчик питательных веществ. Он как бы «настраивает» процесс развития клеток, полагаясь на уровень питательных веществ, доступных в окружающей среде.
Обладает ли человек способностью приостановить беременность на стадии бластоцисты? Пока это нерешенный вопрос: в современных условиях трудно отследить промежуток времени от оплодотворения до имплантации, в котором и происходит образование бластоцисты. Однако существуют отдельные примеры из практики экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) с необычайно длинным периодом беременности и несоответствием между сроками искусственного переноса эмбрионов и родов. На основании этих фактов исследователи полагают, что люди в некоторых ситуациях могут задерживать имплантацию эмбрионов.
Исследование может оказать большое влияние на вспомогательное воспроизводство, практика которого ограничена быстрой деградацией эмбрионов, едва они достигают стадии бластоцисты. Анабиоз бластоцисты может стать альтернативой замораживания эмбрионов и даст врачам больше времени на поиск генетических дефектов перед имплантацией.
Ингибиторы mTOR проходят клинические испытания, и в дальнейшем могли бы побороть некоторые виды рака. Однако результаты нового исследования демонстрируют потенциальную опасность такого подхода: mTOR-ингибиторы могут замедлить развитие рака и уменьшить опухоли, но могут оставить без внимания «дремлющие» раковые клетки, которые могут активироваться и распространиться по организму после того, как терапия приостановится. Чтобы убить оставшиеся клетки, придется использовать препараты второй и третьей линии терапии.
Теперь авторы стремятся выяснить, могут ли ингибиторы mTOR управлять стволовыми клетками на более поздних стадиях развития. Такая возможность помогла бы восстанавливать или заменять поврежденные органы. Ученые уверены, что полученные в ходе исследования данные также имеют потенциальное значение в исследовании старения.
«Это яркий пример власти фундаментальной науки. Мы не искали способы приостановить развитие бластоцисты или имитировать диапаузу. Мы не пытались создать эффективную терапию против рака или разработать более эффективные методы для регенерации тканей или трансплантации органов. Все это было в нашем сознании, но эксперименты подсказали нам, что мы идем к чему-то, что должны понять и не могли проигнорировать, куда они вели» — заявил руководитель лаборатории Мигель Рамало-Сантос, доцент кафедры акушерства, гинекологии и репродуктивных наук в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.
В теории схожая технология криосохранения эмбрионов на ранней стадии развития и их транспортировка позволит таким образом колонизировать космос. Существует несколько различных взглядов на то, каким образом будет осуществляться колонизация. Суть сводится к тому, что полностью автономные роботы доставят «груз» на планету, пригодную для жизни, подготовят все условия для нормального существования там человека, а затем разморозят эмбрионы. Однако исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско не упомянули о том, что их открытие может поспособствовать развитию этой концепции. Чтобы воплотить эту теорию колонизации космоса в жизнь, потребуется искусственная утроба, которая «выносит» плод.
Научная работа опубликована в журнале Nature 23 ноября 2016 года
DOI:10.1038/nature20578
