Учёные из Мичиганского университета создали модель, воспроизводящую ранние этапы развития человеческого эмбриона, включая структуру, похожую на желточный мешок. Работа выполнена без генетического редактирования — использовалась одна популяция стволовых клеток.
Для проверки наблюдений исследователи привлекли данные эмбрионов обезьян, предоставленные коллегами из Китайской академии наук. Это позволило подтвердить, что в системе действительно формируются структуры, аналогичные желточному мешку. Желточный мешок в нормальном развитии формируется на 2-3 неделе после оплодотворения, обеспечивая питание, сигнальные функции, участвует в закладке кровеносной системы и кроветворении. Обычно он развивается из клеток гипобласта, однако в новой модели гипобласты не формировались, что делало появление такой структуры неожиданным. Команда под руководством профессора Цзяньпина Фу использовала человеческие плюрипотентные стволовые клетки — клетки, способные превращаться в разные типы тканей.
«Согласно общепринятым представлениям о развитии человека, желточный мешок должен образовываться из клеток гипобласта. Мы знаем, что наша система не может производить гипобласты или их производные, поэтому мы думали, что не сможем увидеть структуру желточного мешка», — отметил Фу.
Клетки выстраивали в диск диаметром около 0,8 мм, имитируя ранний эпибласт. Затем добавляли сигнальную молекулу BMP-4, запускающую процесс гаструляции — этап, когда закладываются будущие ткани организма. Вместо формирования первичной (эмбриональной) полоски — характерной структуры раннего эмбрионального развития, через которую закладываются основные слои тела, — клетки организовывались иначе. Вместо формирования первичной полоски клетки образовали три слоя, напоминающие зачатки органов, а также полости, похожие на амниотический мешок, и структуру, напоминающую желточный мешок.
Команда выявила маркер HNF4A (ген, связанный с развитием печени, кишечника, почек и активностью желточного мешка), использовала отслеживание клеточных линий с флуоресцентной меткой. Анализ показал, что клетки желточного мешка возникали в процессе гаструляции. Система поможет изучать ранние этапы развития человека, которые невозможно наблюдать напрямую. Это может прояснить причины ранних потерь беременности и механизмы формирования органов. Команда подала заявку на патент.
На первый день колонии выглядят как серые пятнистые круги, при этом в центре заметна более высокая неоднородность. Ко второму дню в центре появляются небольшие округлые структуры, и он начинает темнеть. На третий день потемнение усиливается: темнеет и центральная зона, и окружающее её кольцо, тогда как более светлыми остаются только внешние слои клеток. Часть клеток отделяется и образует вокруг колонии «ободок» или корону. К четвертому дню большинство колоний становятся почти полностью тёмными, за исключением светлой периферии по краям. К пятому дню их размер увеличивается примерно на треть, а форма становится менее правильной.