Сложно, но можно

Сперматозоиды из стволовых клеток помогли зачать крысят

Полина Лосева, N+1

Японские ученые вырастили сперматозоиды из эмбриональных клеток крысы. До сих пор подобные эксперименты проводились только на мышах, для других видов сделать это не удавалось. Получившиеся сперматозоиды оказались функциональными — их можно использовать, чтобы зачать жизнеспособное потомство. Правда, самостоятельно оплодотворить яйцеклетку они пока не могут, и без донорских поддерживающих клеток не развиваются. Работа опубликована в журнале Science (Oikawa et al., Functional primordial germ cell–like cells from pluripotent stem cells in rats).

Технологии искусственного оплодотворения помогают зачать ребенка тем, для кого по каким-то причинам естественное оплодотворение невозможно. Но это работает только тогда, когда есть половые клетки, пусть даже не вполне здоровые. А вот тем людям, в организме которых половые клетки по какой-то причине не производятся, помочь пока нечем.

Половые клетки можно было бы выращивать из стволовых клеток, но с этим есть несколько трудностей. Во-первых, для этого придется взять первичные половые клетки — группу клеток, которые отделяются от остальных довольно рано, у человека это в районе двух недель развития. Во-вторых, в реальном эмбрионе первичных половых клеток очень мало, буквально несколько десятков, поэтому изучать их образование и развитие довольно сложно.

Впервые вырастить первичные половые клетки и получить из них сперматозоиды удалось группе японских ученых в 2011 году. Они работали на мышах, и ни для одного другого вида их результаты пока никто не повторил. Теперь другая группа японских ученых, Мами Ойкава (Mami Oikawa) из Токийского Университета и ее коллеги, попробовала сделать то же самое для крысы.

Несмотря на то, что во многих работах по физиологии и поведению используют оба вида грызунов, существенная часть эмбриологических исследований сделана все-таки на мышах. Поэтому авторам работы пришлось адаптировать для крыс все этапы протокола, а заодно разбираться в особенностях крысиного эмбриогенеза.

В качестве сырья для производства сперматозоидов они взяли эмбриональные стволовые клетки крысы. Их нужно было превратить в эпибласт — в эмбрионе это пласт клеток, которые готовы специализироваться и разделиться на несколько слоев зародыша, в том числе отпочковать от себя первичные половые клетки. Оказалось, что, хотя мышиный эпибласт легко культивировать на плоскости, крысиные клетки не держатся в едином слое, и пришлось научиться их растить в виде трехмерных сфер.

Слева направо: бластоциста крысы, эмбрион после имплантации (эпибласт выстилает его "изнутри"), культура эмбриональных стволовых клеток из бластоцисты, культура эпибластоподобных клеток. Рисунки из статьи Oikawa et al.

Потом ученым пришлось подбирать набор сигнальных веществ, с помощью которых клетки эпибласта можно превратить в первичные половые клетки. А чтобы они дозрели до настоящих предшественников сперматозоидов, их нужно было поселить вместе с поддерживающими клетками развивающихся половых желез. Такие железы исследователи взяли у крысиных эмбрионов постарше, и очистили их от собственных предшественников сперматозоидов (для этого опять же пришлось разработать новую методику, потому что они производят не те же молекулярные маркеры, что и клетки мыши). Правда, конструкция заработала только с женскими половыми железами — в мужских почему-то предшественники сперматозоидов развиваться отказались.

Протокол получения сперматозоидов: эмбриональные стволовые клетки, потом эпибластоподобные клетки, потом первичные половые клетки, потом совместное культивирование с поддерживающими клетками, потом имплантация в пустые половые железы и сперматозоиды на выходе.

В итоге получился многоступенчатый метод: сначала эмбриональные стволовые клетки крысы, потом превращение в эпибласт, потом отделение первичных половых клеток, потом культивирование в незрелых железах с превращением в зрелые предшественники сперматозоидов. После всех этих манипуляций ученые проверили, какие эпигенетические изменения происходят в получившихся предшественниках — то есть на каких участках ДНК и гистонов появляются характерные маркеры. И подтвердили, что эти изменения похожи на те, что происходят в реальных клетках в организме крысы.

Наконец, осталось убедиться, что эти предшественники дают полноценные сперматозоиды. Для этого исследователи вырастили крыс с дефектом одного гена, который отвечает за развитие половых клеток. У них развиваются половые железы, но «пустые», без сперматозоидов. Вот таким крысам исследователи подсадили клетки-предшественники — и те начали производить сперматозоиды. Их было меньше, чем у мышей в аналогичных экспериментах. И самостоятельно оплодотворить ими самку мыши не смогли. Но с помощью искусственного оплодотворения ученые ввели эти сперматозоиды в яйцеклетки — и получились крысята, здоровые и плодовитые.

Слева: крысята, полученные из искусственно выращенных сперматозоидов, справа: крыса, зачатая с помощью такого сперматозоида, вырастает здоровой и плодовитой и дает собственное потомство.

Эта работа — наглядный пример того, как непросто бывает перенести работающую методику с одного вида на другой и на какие хитрости ради этого приходится идти. Поэтому, хоть авторы и упоминают, что крыса физиологически ближе к человеку, чем мышь, можно ожидать, что следующий шаг тоже будет нелегким. Кроме того, чтобы в полной мере добиться своей цели, исследователям нужно научиться выращивать полноценные сперматозоиды, способные к самостоятельному зачатию. И в идеале — делать это без поддерживающих клеток семенников.

С яйцеклетками дело обстоит не проще, чем со сперматозоидами. В 2021 году ученые наконец-то собрали искусственный фолликул, с помощью которого можно выращивать яйцеклетки мыши in vitro «с нуля». О том, какие технологии станут возможными, если мы научимся делать это с яйцеклетками человека и других видов, мы рассказывали в тексте «Мама из пробирки».

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru