До вашої уваги – ще один матеріал від авторів науково-популярного порталу «Моя наука» у нашій новій рубриці «Дивовижний світ науки». Портал створений для того, щоб з'являлося більше зрозумілих та якісних текстів українською мовою про наукові досягнення та відкриття, про українських дослідників. Тому й автори цієї рубрики – українські науковці у галузі біології та медицини.

Зрозуміло, чому ми хочемо добре дослідити ембріональний етап розвитку. Крім того, що це цікаво – дізнатися, як з однієї клітини – нехай такої специфічної та незвичної, як запліднена яйцеклітина, але все одно лише однієї клітини організму – за певний час формується організм, здатний до самостійного функціонування. Адже організм складається з мільйонів клітин та різних тканин, усі з яких виконують свої специфічні функції й організовані в специфічні структури. Вся ця складність та сукупність організації виникає з однієї заплідненої яйцеклітини. Її можна уявити собі як густий бульйон, у якому плавають різні інгредієнти, але не просто так, а за чітко визначеною структурою та розміщенням, порушення яких призводить до тяжких наслідків

 Але при цьому ембріональний розвиток — одна з найцікавіших і при цьому погано досліджених тем у біології, особливо у випадку плацентарних ссавців, до яких належить і людина. Так, впродовж двох тисяч років, починаючи з Аристотеля й аж до XVII сторіччя переважала хибна думка, що жіночий організм надає ембріону лише місце для існування, тоді як увесь зародок знаходиться у матеріалі, що його привносить чоловік під час запліднення [1]. Така помилка у розумінні біології розвитку сформувалася через те, що технічно складно дізнатися, як відбувається ембріогенез, адже всі процеси йдуть всередині організму.

Цікаво, що помилкова думка, ніби лише чоловічий матеріал несе в собі зародок майбутньої людини, також вплинула на культуру. Так чоловічий онанізм вважається табуйованим і «гріховним» у Західній культурі, адже Фома Аквінський, що мав великий вплив на її формування, вважав, що у спермі чоловіка вже міститься майбутній зародок, і аморально витрачати цей матеріал на щось інше, аніж на власне запліднення та вагітність.

Натомість існування такого явища як жіночий онанізм, оминалося у європейській традиції [2]. Це є цікавим фактом з галузі культурології, але ніяк не предметом цього допису, і наведено тут 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 й через це також. Зокрема, у сучасний період гостро поставлено питання про легальність та етичність абортів на різних стадіях вагітності, та в цій дискусії для прийняття оптимального рішення варто мати гарне уявлення про ембріогенез людини.

Наявністю плаценти ссавці доволі сильно відрізняються від інших твварин. 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 — яйцеклітина зі складними оболонками. При цьому воно може бути як заплідненим, так і ні, та в більшості випадків курячі яйця, що потрапляють на ринок, не запліднені, отдже з них не може утворитися пташеня. Але й у випадку з типовими пташиними яйцями наявна непрозора шкарлупа, яка запобігає вивченню «на око» того, що відбувається всередині, і до появи новітніх технологій способу зазернути 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 відкладене 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 Даніо реріо, популярних серед акваріумістів. Їх перевага у тому, що вони прозорі й спостерігати за ембріогенезом доволі легко.

Плацентарні же ссавці відрізняються від інших організмів тим, що у них утворюється власне плацента — місток, що з’єднує ембріон з організмом матері під час вагітності. Яйцеклітина ссавців при цьому – доволі мала клітина, вона більша за інші клітини 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 усі 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.

Нас як представників плацентарних ссавців, цікавить саме ембріогенез плацентарний, 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, як уже сказано було раніше, досліджений найгірше. Чому?

Плацентарність ембріогенезу формує наступні проблеми для досліджень:

  1. I) овуляція та запліднення відбуваються всередині організму (на відміну від зовнішнього запліднення більшості риб). Мікроскопічні дослідження запліднення стали можливими лише у 20 сторіччі.
  2. II) дуже чіткі потреби до навколишнього середовищя ембріона порівняно, скажімо, з ембріонами морських їжаків, що розвиваються просто у солоній воді моря: постійна температура і складний коктейль рідини, у якій перебуває ембріон, робить спеціальні пристрої у клініках штучного запліднення схожими на техніку з космічного корабля.

III)          формування плаценти та весь ембріогенез проходить всередині тіла матері, тому, крім стійких вимог до середовища, ембріони є світлочутливими: сильне світло їх пошкоджує. Більшість методів сучасної мікроскопії використовує лазери у своїх дослідженнях, що має пошкоджувальний вплив на ембріон.

  1. IV) у 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.
  2. V) ембріон значно збільшує свої розміри під час поділу 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 — мишей — вивчено далеко не так детально, як хотілося б.

У кінці 2018 року в журналі Cell опублікована робота К. МакДола та співавторів, присвячена мікроскопії раннього ембріогенезу мишей, що описує технологічні модифікації спеціалізованого мікроскопу та біоінформатичні програми, які разом дозволили у нечуваній деталізації описати та зробити відеомікроскопію ембріону миші на перших етапах розвитку [4].

Перші дні ембріонального розвитку ссавців відбуваються ще до формування плаценти, і присвячені бластуляції. 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 особливий набір клітин, які відрізняються за функціями та морфологією. Під час бластуляції вирішується питання одноклітинності: запліднена яйцеклітина починає ділитися велику кількість разів, формуючи власне бластулу. Десь на 7-й день після запліднення в людини (і на 5-й у мишей) відбувається імплантація — утворення плаценти [5].

Тоді наступає період гаструляції, коли відбувається перше розділення ембріона на «пратканини», які дадуть початок всім іншим тканинам і органам — так звані зародкові листки. У тварин три зародкові листки — внутрішній, середній і зовнішній. Деякі дослідники вважають, що зародок нервової тканини 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. мал. «12-й день ембріонального розвитку людини»). Це вже зародок, який готовий почати формування органів.

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

Це дуже складний, цікавий та погано вивчений процес. Він все ще протікає у невеликому об’ємі: зародок має діаметр ~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 з мікроскопії, опублікована К. МакДолем у Cell [6].

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

Методика базується на light sheet microscopy (LSFM) — мікроскопії світлового поля або листка. Це створює настільки низький рівень опромінення препарату, що його не пошкоджує, а флуоресцентні барвники не вигоряють протягом дуже довгого часу. Плюс створення спеціальної системи відстежування об’єкта, що змінює своє положення у розчині та свій розмір, дозволило впродовж 2 днів слідкувати за ростом і розвитком ембріону миші з п’ятихвилинними інтервалами.

Додатково велетенський об’єм отриманих зображень було проаналізовано за допомогою біоінформатичних методів, бо людині обробити стільки інформації вручну займає дуже багато часу [6].

У 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.

Нервова трубка формується як вигинання зовнішнього шару ембріону — ектодерми. Це вигинання виникає не у будь-якому місці, а у місці, де є клітини, 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 під час у ембріона нервова пластинка відкрита і знаходиться на спині у вигляді складки. Далі ця складка починає закриватися шляхом поділу клітин. І цей процес розпочинається у центральній частині нервової трубки й рухається до голови й до хвоста. Це також допомагає створити головний та хвостовий відділи нервової системи: у 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 цього мікроскопічного дослідження. Розміщення клітин у певній площині та їхній поділ відбувається лише таким чином, що тканина росте, і захлопується як застібка-блискавка.

На зображенні «Ембріональний розвиток миші впродовж 42 годин» можна побачити процес гаструляції мишачого ембріона з чітко помітним формуванням нервової трубки.

Результати додатково було оформлено у вигляді відео. Авторка цього посту дуже рекомендує його подивитися, зрештою, це ще й красиво: youtu.be/jqtL8dYM1H0.

К. МакДоль та 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.