Эмбрион—гибрид человека и свиньи. Биологи из США, Японии и Испании ввели стволовые клетки человека в яйцеклетку свиньи. Выращенный в утробе животного эмбрион ученые назвали химерой — в честь существа из античной мифологии. В перспективе эти исследования позволят ученым выращивать органы для трансплантации и изучать природу генетических заболеваний. Для того, чтобы исследования продвинулись дальше, ученые должны не только доказать эффективность опытов, но и их этичность.
В чем суть эксперимента
Группа американских ученых из калифорнийского Института биологических исследований Солка ввели человеческие стволовые клетки в эмбрион свиньи на ранней стадии развития и поместили его в утробу животного. Спустя месяц стволовые клетки развились в зародыши с зачатками человеческих тканей: сердца, печени и нейронов.
Из 2075 пересаженных эмбрионов до 28-дневной стадии развились 186. Полученные эмбрионы были «крайне нестабильными», признают ученые, но пока это самый успешный гибрид человека. Ученые пишут, что полученная химера — важнейший шаг к созданию эмбрионов животных с функционирующими человеческими органами.
Источник: Cell Press
Конечная цель заключается в том, чтобы вырастить функциональные и готовые к трансплантации органы, проведенные эксперименты — первый шаг к этому, пишет WP со ссылкой на ученых из Калифорнии.
О результатах похожего исследования рассказывается в первом номере журнала Nature за 2017 год. Как следует из публикации, группе ученых из Японии и США удалось вырастить поджелудочную железу мыши внутри крысы, а затем пересадить вырабатывающий инсулин орган больным диабетом мышам, что не вызвало иммунного отторжения. Это стало первым подтверждением, что межвидовая трансплантация органов возможна, пишет Nature.
Зачем это нужно
Главная цель ученых — выращивание человеческих органов с помощью эмбрионов крупных животных. По данным американского Минздрава, каждый день в ожидании органов для трансплантации умирают 22 человека. Ученые давно пытались выращивать искусственные ткани вне человеческого тела, но органы, развивающиеся в чашке Петри (так называют емкость для выращивания микроорганизмов), сильно отличаются от выращенных внутри живого организма.
Технология выращивания искусственных органов, скорее всего, будет похожа на эксперимент с мышами и крысами, пишет The Washington Post. Крысы, которым в рамках описанных в Nature исследований подсаживались новые клетки, были генетически модифицированные. Они не могли вырастить собственную поджелудочную, поэтому стволовые клетки «заполняли свободное пространство». Часть появляющихся у крыс желез была пересажена больным мышам. После операции мыши жили со здоровым уровнем глюкозы в течение года — полжизни в человеческих масштабах, пишет WP.
Исследование доказало, что межвидовая трансплантация не только возможна, но и эффективна, прокомментировал результаты старший автор исследования Хиромицу Накаучи из Стэнфордского университета. Ученым таким же образом удалось «вырастить» сердце и глаза.
Какие сложности
Ученые из Калифорнии добились первых результатов спустя четыре года после начала исследований. По их словам, свиньи — идеальные животные для эксперимента. Их органы примерно такого же размера, однако они растут гораздо быстрее человеческих. В дальнейших исследованиях фактор времени должен стать главным, признаются исследователи.
«Пока количество человеческих клеток в полученном эмбрионе очень незначительное, а весь процесс проходит на ранней эмбриональной стадии, поэтому пока рано говорить о создании полноценной химеры», — прокомментировал результат коллег Накаучи. В полученных эмбрионах на 100 000 клеток свиньи приходилась только одна человеческая (эффективность 0,00001%). «Достаточно добиться эффективности от 0,1% до 1% клеток», — объяснил BBC один из авторов калифорнийского исследования.
После четырех недель развития ученые из Института Солка по этическим соображениям уничтожили полученные эмбрионы, чтобы предотвратить полноценное развитие химеры. «Мы лишь хотели ответить на вопрос, смогут ли человеческие клетки вообще приспоосбиться», — объяснил один из авторов.
Этические вопросы
В 2015 году Национальные институты здравоохранения США наложили мораторий на финансирование исследований, в рамках которых скрещиваются клетки человека и животных. Поскольку стволовые клетки могут развиться в любую человеческую ткань, в перспективе может быть создано животное с человеческим мозгом, считают некоторые биоэтики. Другие указывают на нарушение «символической границы» между человеком и животным, пишет WP.
Калифорнийские ученые считают, что страхи вокруг «химер» больше походят на мифы, чем на контролируемые эксперименты, но признают, что возможность рождения животного с человеческими клетками вызывает беспокойство.
В августе Национальные институты здравоохранения США допустили возвращение к финансированию исследований химер. Организация предлагает разрешить введение стволовых клеток людей в эмбрионы на ранней стадии развития крупных животных за исключением других приматов.
«Нам наконец-то удалось доказать, что такой подход к созданию органов возможен и безопасен. Надеюсь, люди поймут это. Многие считают, что это из раздела научной фантастики, но сейчас это становится реальностью», — прокомментировал возможное снятие запрета Накаучи.
Даниил Сотников
Фото на превью: кадр из фильма «Химера»
Фото в шапке: WikiCommons
Перенос эмбрионов – это собирательный термин для технологий, используемых для трансплантации эмбрионов из матки одного женского организма в другой. Данная технология используется преимущественно у крупного рогатого скота, но очень хорошо применима и у свиней - в будущем, возможно, применение данной технологии будет иметь более широкий масштаб.
С. Л. Терлоу и Дж. Р. Добринский, Международного центр биотехнологии «Minitube», Хорив, штат Висконсин, США
Эта статья знакомит с основами трансплантации свиных эмбрионов (собирательный термин для технологий, которые в будущем могут быть более распространены в свиноводстве). После того, как яйцеклетки или "яйцо" оплодотворяется сперматозоидом, образуется зигота. В течение многих лет в центре внимания свиной промышленности был вопрос о видах трансплантации эмбрионов на ранних стадиях эмбрионального развития.
Что такое трансплантация эмбрионов?
Трансплантация эмбрионов (ЭТ) относится к области репродуктивной науки и заключается в удалении эмбрионов из матки одного женского организма (донора) и трансплантации одного или нескольких эмбрионов суррогатной самке (реципиенту). Первое потомство млекопитающих в результате трансплантации эмбрионов было воспроизведено у кроликов почти 119 лет назад! Первые поросята в результате трансплантации эмбрионов родились 27 марта 1950 года в Украине. С тех пор исследования, посвященные воспроизводству свиней, включая вопросы овуляции, оплодотворения, развития зародыша, сохранения, миграции, имплантации и выживания, явились результатом исследований, связанных с трансплантацией эмбрионов.
Трансплантация эмбрионов в настоящее время является глобальной индустрией, по данным которой, в 2005 году было произведено около 955 000 коммерческих (не для исследований) трансплантаций эмбрионов млекопитающих, 92% из которых – у крупного рогатого скота. Остальные 8%, в основном, получены у овец, коз, свиней и лошадей. Считается, что около 10000 в естественных условиях (in vivo – от животных) и более 40000 в пробирке (in vitro – полученные при проведении проектов лабораторных исследований) свиных эмбрионов трансплантируется каждый год. Основными странами, предоставляющими данные об этой деятельности в Международное Общество Трансплантации Эмбрионов, являются США, Канада, Тайвань, Корея и страны Европейского Союза.
Как осуществляется ЭТ у свиней?
Стандартный метод трансплантации эмбрионов у свиноматок, как это практиковалось в течение длительного времени посредством вентральной лапаротомии по средней линии.
Коммерческая трансплантация эмбрионов была практичной альтернативой в животноводстве в течение многих лет. У крупного рогатого скота репродуктивный тракт и размер животного позволяет проводить ректальную пальпацию половых путей, что делает возможным дальнейшее нехирургическое ректально-вагинальное трансцервикальное осаждение эмбриона в ипсилатеральном (сторона овуляции) роге матки. У свиней, в виду их меньшего размера, ограничено или запрещено проведение нехирургического ректально-вагинального трансцервикального осаждения эмбрионов. Кроме того, свинья является многоплодным животным с характерными длинными рогами матки, что необходимо для вынашивания выводка или помета поросят во время беременности. Для свиней характерно наличие именно таких длинных рогов матки, а также шейки матки, расположенной по типу «штопор», что препятствует проведению нехирургического трансцервикального сбора и осаждения эмбрионов. Таким образом, ученые и ветеринары давно используют вентральную лапаротомию по средней линии для восстановления и переноса эмбрионов в организм свиньи-реципиента.
Не является ли ЭТ избыточным для свиней?
В течение длительного времени трансплантация эмбрионов у свиноматок производилась посредством вентральной лапаротомии по средней линии.
Свиньи относятся к видам, рождающим помет. Кроме того, в отличие от крупного рогатого скота, где также широко применяется ЭТ, у свиней относительно ранний период полового созревания и короткий период беременности. Таким образом, агрессивный выбор при спаривании свиней, когда производят искусственное оплодотворение (AI), уже позволяет осуществлять генетический прогресс без необходимости проведения ET.
В таком случае, какие факторы мотивируют свиноводов продолжать реализовывать различные методы трансплантации эмбрионов? Вот некоторые из них:
Генетический прогресс
Только 50% генетического материала может быть изменено в одном поколении посредством искусственного оплодотворения, в то время как 100% генетического материала или полностью новый геном может быть введен с эмбрионом.
Расширение рынков
Свиноводство продолжает расширяться во всем мире и характеризуется появлением компаний, которые работают на международном уровне и смогут извлечь выгоду из экономически эффективных возможностей трансплантации эмбрионов вместо продажи живых животных. Это также позволит более мелких предприятиям стать более конкурентоспособными, продавая уникальные генетические образцы в виде законсервированных образцов/трансплантируемых эмбрионов.
Снижение риска для здоровья
Трансплантация эмбрионов может быть использована для преодоления проблем со здоровьем свиней. Эмбрионы могут быть удалены у свиноматок с такими заболеваниями, как псевдобешенство или свиной репродуктивный и респираторный синдром (РРСС), которые затем «отмываются» и передаются реципиенту без выявленных заболеваний для обеспечения здоровых стад. Эта уникальная характеристика ЭТ может быть использована для минимизации или устранения риска развития какого-либо заболевания между стадами и получения желаемого генетического прогресса. Данное применение ЭТ было названо «генетическим спасением».
Генетические рычаги
Использование других биотехнологий, таких как клонирование эмбрионов и криоконсервация, требуют проведение ЭТ для воспроизводства живого потомства.
Медицина
Органы свиней наиболее совместимы с человеческими из-за сходства в анатомии, физиологии и размерах. С точки зрения этики, их применение менее спорно, чем использование органов приматов. В последнее десятилетие в США количество пациентов, ожидающих трансплантации органов, увеличилось втрое. Департамент здравоохранения США и Служба защиты программы человеческого донорства имеет более 50000 заявок на трансплантацию органов. Процедура трансплантации эмбрионов является важным шагом в разработке и производстве генетически измененных свиней, органы которых подходят для трансплантации человеку. Кроме того, свинья была признана более подходящим животным для экспериментального моделирования болезней человека. Лишь 8% исследований, проведенных в США на грызунах или других стандартных моделях по воспроизведению человеческих заболеваний и дошедших до клинических испытаний, в действительности привели к созданию готового продукта для лечения человека. Уникальная физиология и анатомия свиньи делает ее более подходящей для моделирования человеческих болезней, и свинья в настоящее время активно используются для генетических манипуляций и является экспериментальной моделью по воспроизведению таких заболеваний, как атеросклероз, сахарный диабет, муковисцидоз, мышечная дистрофия, рак и другие тяжелые заболевания.
Что является основой?
Ниже приведен список технических факторов, которые будут задействованы при интеграции ЭТ с операцией, проводимой свинье.
Регулирование эстрального цикла
Для обеспечения успешного процесса ЭТ самки-доноры и реципиенты должны быть синхронизированы (для пересадки свежих эмбрионов), так что период течки у реципиентов должен проходить приблизительно в то же время, что и у доноров.
Супер-овуляция
Несмотря на то, у свиньи в период «овуляции» вовлечено от 10 до 25 яйцеклеток (за эстральный цикл), донор может быть гормонально стимулирован для того, чтобы произвести больше оплодотворенных яйцеклеток, что делает донора более продуктивным, так как процесс ЭТ предполагает удаление эмбрионов у самок-доноров. Тем не менее, супер-овуляция не является необходимой для успешного проведения ET.
Выявление половой охоты
Надежные и последовательные методы обнаружения течки и ее регистрации должны быть использованы как для доноров, так и для реципиентов, чтобы реципиенты могли быть точно согласованы с отдельными донорами и их эмбрионами.
Искусственное оплодотворение
У большинства видов ЭТ, как правило, сочетается с искусственным оплодотворением (ИО), потому что производители хотят воспользоваться скрещиванием породистых самок доноров с породистыми самцами.
Оживление и трансплантация эмбрионов
Данная технология быстро развивается, но несколько хирургических, комбинированных и нехирургических методов в настоящее время оценивается с целью определения наиболее эффективных и подходящих свинье. В настоящее время хирургическое оживление и трансплантация дают наиболее стабильные результаты.
Доноры и реципиенты
Эмбрионы, полученные у самок доноров, должны быть трансплантированы реципиентам. Доноры могут быть как по материнской, так и по отцовской линии, но материнские линии являются предпочтительными для реципиентов. Доноры и реципиенты могут быть как свинками, так и свиноматками, при этом у свинок гораздо удобнее проводить хирургические манипуляции.
Обработка и экспертиза эмбрионов
Приемлемые результаты ЭТ можно получить только тогда, когда эмбрионы надлежащим образом подготовлены к трансплантации. Обученный персонал использует стерильные приборы и среды, предназначенные для выращивания и обработки эмбрионов от момента оживления до трансплантации в контролируемых условиях.
Транспортировка эмбриона
Эмбрионы должны быть правильно идентифицированы и подготовлены для отправки по местонахождению реципиента. Транспортировка может включать перенос, перевоз или перелет из одного места в другое. Эмбрионы можно выращивать в течение 72 часов с более низкими конечными результатами.
Нехирургическая трансплантация - это относительно новая технология, разрабатываемая научными сотрудниками Университета в Мурсии
Консервирование эмбрионов
После оживления эмбрионы можно культивировать во время транспортировки, особенно если ЭТ должно произойти в течение 24 часов после оживления. Были разработаны альтернативные методы консервирования эмбрионов, включая хранение эмбрионов до 48-72 часов при низкой температуре и витрификацию эмбрионов для долгосрочной криоконсервации. В отличие от обычных методов консервирования культуры эмбрионов, в будущем именно эти технологии будут играть важную роль для реализации программы поставок при глобальной трансплантации эмбрионов.
Что такое будущее?
В настоящее время типичными результатами следует считать достижение беременности и опороса в 85% случаев трансплантации эмбрионов, а эмбриональная выживаемость (с учетом беременности реципиентов) составляет 50-55%. Сочетание этих показателей говорит о том, что трансплантация эмбрионов до 50% случаев приведет к рождению поросят. Результаты зависят от причины проведения ЭТ. Использование ЭТ с целью спасения генотипов от доноров, чье здоровье находится под угрозой, может быть менее эффективным, чем использование ЭТ для передачи генетического материала в здоровых стадах (см. Таблицу 1). Продолжительность времени культивирования может повлиять на результаты международной трансплантации. Трансплантации свиных эмбрионов, которая успешно применяется в различных областях свиноводства, показывает, что эта надежная процедура заслуживает рассмотрения. Согласно нашим экспериментальным данным, более высокий риск снижения эффективности связан с донорами и качеством эмбрионов при генетическом спасении. Практическая реализация трансплантации эмбриона требует специального помещения, оборудования и квалифицированной бригады хирургов.
Возможно ли проведение ЭТ нехирургическим методом?
В последнее десятилетие много исследований было посвящено более реальным и повторяемым нехирургическим методам трансплантации эмбрионов у свиней. Заимствование методов, применимых у других видов, ограничено, в связи с меньшими размерами животного и уникальной природой репродуктивной системы свиньи. Исследования продолжаются для того, чтобы добиться прогресса в обеспечении применения нехирургических методов ЭТ у свиней в сельскохозяйственной практике. Наиболее обнадеживающие результаты были получены при использовании катетера, разработанного в университете Мурсии доктором Эмилио Мартинесом. Показатели 70,8% опороса и 6,9 поросят из числа родившихся в помете были достигнуты с помощью катетера, который теперь доступен в центре Minitube. Постоянные усилия при проведении исследований направлены на нехирургические методы проведения ЭТ, а именно на то, чтобы данные технологии были конкурентоспособными, а методы проведения ЭТ стали более экономичным и практичным для производителей свиней.
Однако в будущем свиноводства процедура трансплантации эмбрионов станет обычным делом, это всего лишь вопрос времени. Многие глобальные рыночные силы и технологические прорывы вносят свой вклад в этот неизбежный факт. Это волнующий момент – возможность принять участие в данном начинании в сфере текущих комплексных усилий, направленных как на исследование, так и на выявление новых возможностей для производителей.
Генетики вырастили 4-недельный эмбрион свиньи с зачатками человеческих органов
- Биотехнологии ,
- Здоровье гика
Химера крысы и мыши показывает нормальное развитие эмбриона (B) и внутренних органов: почек, сердца, печени, лёгких, поджелудочной железы и мозга внутри организма-хоста (С)
Плюрипотентность - уникальное свойство эмбриональных стволовых клеток, которые могут превратиться в любые из 200 известных видов соматических клеток, в соответствии с заданной программой развития эмбриона и другими условиями. Учёные научились забирать эти клетки у человеческих эмбрионов и культивировать их в лаборатории. Многочисленные опыты показали, что при этом плюрипотентные клетки сохраняют способность дифференцироваться в любые клеточные типы, включая спермии и яйцеклетки.
Но в лабораторных условиях очень трудно вырастить полноценный орган из стволовых клеток, поскольку физиологию человека практически невозможно воссоздать с нуля. Учёные ещё не умеют программировать клетки с такой точностью. Нужна естественная среда, где программа развития клеток в нужный орган активируется сама. Идеальной средой был бы эмбрион человека или примата, но такие испытания запрещены законом. Поэтому учёные нашли выход в использовании эмбрионов физиологически близких к человеку животных - свиньи и крупного рогатого скота. В развитых странах эксперименты над этими эмбрионами пока разрешены.
Для решения этой задачи великолепно подходят химеры - организмы, состоящие из генетически разнородных клеток. Внутри химер можно выращивать органы другого организма. Ряд таких экспериментов провела группа учёных из Института биологических исследований Солка (Калифорния). В том числе им удалось впервые создать химеру эмбриона свиньи с зачатками человеческих органов.
Химеры - очень интересные организмы с научной точки зрения. Они могут стать ценным инструментом для научных исследований с возможностью использовать их в клинических испытаниях и для трансплантации органов.
Сейчас ситуация с донорскими органами очень напряжённая. Например, среднее время ожидания почки - около 10 лет. Средний срок жизни на диализе - 5 лет. Если технику выращивания химер доведут до ума, то подходящую почку можно вырастить гораздо быстрее, пока человек ещё жив.
Используя технику генетического редактирования CRISPR-Cas9 и новейшие технологии обработки стволовых клеток, учёные успешно имплантировали стволовые клетки в эмбрион и вырастили различные крысиные органы - поджелудочную железу, сердце и глаза - в организме мыши. Этот эксперимент подтвердил концептуальную возможность такого метода получения донорских органов.
Затем исследователи имплантировали плюрипотентные человеческие клетки в эмбрионы свиньи, изучив развитие человеческих тканей и органов. Это первый шаг к более подробным исследованиям по выращиванию человеческих органов в других организмах, подходящих по размеру, физиологии и анатомии.
Клетки, извлечённые их плюропотентных стволовых клеток крысы, развиваются в сердце внутри генетически модифицированного эмбриона мыши
В 2015 году группа учёных под руководством Исписуа Бельмонте (Izpisua Belmonte) создала первую химеру, проследив за развитием человеческих клеток в нежизнеспособном эмбрионе мыши. Сейчас они пошли дальше, применив технику генетического редактирования CRISPR-Cas9 для того, чтобы задавать развитие плюропотентных клеток в конкретные органы.
С помощью генетического редактирования CRISPR-Cas9 учёные изменили эмбрион хоста, отключив гены, которые отвечают за развитие конкретного органа - например, поджелудочной железы. Затем в эмбрион помещают стволовые клетки другого животного (крысы) с активным геном поджелудочной железы. Сам эмбрион абсолютно нормально развивается в организме суррогатной матери, за исключением того факта, что у него чужая поджелудочная железа.
Точно такие же опыты были проведены с другими органами в химере крысы и мыши - глаз и сердца. Учёные обнаружили также, что плюропотентные клетки крысы неожиданно образовали в эмбрионе мыши желчный пузырь - орган, который отсутствует у крыс. Это указывает на то, что плюропотентные клетки донора испытывают сильное влияние организма хоста и перенимают его программы развития.
Впрочем, выращивание человеческих органов у свиньи будет непростым. Учёные обращают внимание на ряд сложностей, которые возникают при скрещивании сильно отличающихся живых организмов, таких как человек и свинья. Такие трудности отсутствуют при выращивании органов в близких генетически организмах. Например, у человека и свиньи сильно различаются сроки вынашивания плода (у свиньи 112 дней).
Тем не менее, эксперимент с человеческими органами в свиных эмбрионах был проведён. Прекурсоры человеческих тканей начали создаваться и развивались до четырёхнедельного возраста эмбриона, хотя и не с такими показателями успешности, как у химеры крысы и мыши. Выжили лишь небольшое количество клеток - и они явно не развивались в нечто жизнеспособное. Эксперимент прекратили для оценки безопасности и эффективности технологии.
При выращивании химер в промышленном масштабе люди могут во многом решить проблему нехватки органов для трансплантации. Можно выращивать миллионы свиней с человеческими печенью, поджелудочной железой и почками.
Учёные признают, что конечной целью исследований с химерами может быть выращивание человеческих органов и тканей в промышленных масштабах, но это очень отдалённая перспектива. В ближайшие годы исследования в этой области имеют теоретическое, а не практическое значение. Они дадут лучшее понимание человеческого эмбрионального развития и помогут изучить некоторые болезни, которые невозможно изучить иным способом.
