Учёные впервые вырастили незрелые сперматозоиды человека и обезьяны из обычных клеток крови
Проблемы с зачатием касаются мужчин куда чаще, чем принято думать. Примерно каждый одиннадцатый мужчина репродуктивного возраста сталкивается с нарушением фертильности — и это, если задуматься, довольно много. Причин у мужского бесплодия хватает, но одна из самых трудных для изучения связана со сбоями в развитии половых клеток. Именно из них в зародыше постепенно вырастают будущие сперматозоиды или яйцеклетки. Беда в том, что до недавнего времени учёным было почти не на чем моделировать этот процесс. И вот появляется свежее исследование, которое, похоже, сдвигает дело с мёртвой точки.
Работа вышла в журнале Cell Stem Cell, и её суть звучит почти как научная фантастика. Исследователи, по сути, придумали рецепт превращения клеток крови человека в незрелые предшественники сперматозоидов. И всё это — в искусственной среде, повторяющей крошечное подобие семенника. Стартовали они с так называемых индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Это клетки-«чистый лист»: их можно перепрограммировать почти в любую ткань организма. Взяли такие клетки у людей и у макак-резусов. Дальше — обработка нужными химическими сигналами, и клетки превращаются в лабораторные аналоги самых ранних зародышевых клеток, тех, что в норме дают начало половой линии. То есть, грубо говоря, учёные отмотали клетку назад, к её зачаточному состоянию, а потом мягко подтолкнули в нужную сторону.
Но есть нюанс. Половые клетки не умеют взрослеть в одиночку — им нужно особое окружение, которое биологи называют нишей. Чтобы создать такую нишу, команда добавила к человеческим и обезьяньим клеткам вспомогательные клетки из мышиных зародышей. И вот тут случилось самое любопытное. Смешанные клетки сами, без всякого внешнего управления, собрались в трёхмерную структуру. Её назвали ксеногенным реконструированным семенником — название громоздкое, но идея за ним простая. Это искусственный органоид, повторяющий базовое устройство настоящего семенника. Внутри него начали формироваться семенные канальцы — те самые извитые трубочки, где в организме и рождаются сперматозоиды. И, что важно, выросшее в пробирке по виду и по активности генов очень напоминало настоящие человеческие половые клетки на ранних стадиях созревания.
По-настоящему понимаешь лишь то, что способен создать своими руками.
Ричард Фейнман
Поражает сама способность клеток к самоорганизации. Ведь никто не чертил им план и не расставлял по местам. Им будто заранее известно, что и как собирать — достаточно дать подходящее окружение. А стоит вдуматься, зачем вообще вся эта возня, и картина становится ещё интереснее. Выживание нашего вида держится на способности производить сперматозоиды и яйцеклетки. Именно они передают генетическую информацию от поколения к поколению. У мужчин созревание сперматозоидов — процесс долгий и до мелочей отлаженный. Он начинается ещё до рождения и тянется всю жизнь.
Незрелые клетки проходят несколько стадий, прежде чем стать полноценными. Любой сбой на этом пути может обернуться бесплодием или врождёнными нарушениями у будущих детей. Поэтому так важно понять эту механику на молекулярном уровне — и понять именно на модели, близкой к человеку. А с близкими к человеку моделями всегда была беда.
Грызуны, конечно, здорово выручили репродуктивную биологию — на мышах и крысах сделано очень многое. Но приматы устроены иначе, и различия видны и на уровне тканей, и на уровне молекул. Проще говоря, то, что работает у мыши, у человека повторяется не всегда. Поэтому исследователи и взялись за многоступенчатую систему. Она позволяла бы выращивать и доводить до зрелости именно приматные половые клетки — вне их естественной среды. Схема, надо сказать, получилась изобретательная.
Индуцированные стволовые клетки учёные получили из клеток крови человека и из соединительной ткани кожи макаки-резуса. Затем превратили их в самые ранние клетки-предшественники и добавили вспомогательные клетки из семенников мышиных зародышей. Всему этому дали самособраться в трёхмерную структуру. Но, чтобы органоид выжил и получал питание, ему нужен был кровоток. Поэтому созданные мини-семенники пересадили в почки мышей с ослабленным иммунитетом. Там, уже в живом организме, клетки могли спокойно развиваться от восьми до девяти месяцев — куда дольше, чем протянули бы в обычной лабораторной чашке. Восемь-девять месяцев — это, между прочим, почти срок человеческой беременности, и такое совпадение выглядит почти символично.
Результат превзошёл ожидания. С помощью этой методики удалось вырастить человеческие половые клетки, а также — впервые в истории — сперматогонии макаки, то есть недоразвитые мужские половые клетки из семенников. И эти обезьяньи клетки почти не отличались от настоящих, взятых у живых людей и обезьян: сходство доходило до девяноста семи процентов. Попутно исследователи вычислили два важных белка — их обозначают как NANOS3 и DND1. Оказалось, именно они удерживают половые клетки живыми и не дают им сбиться с курса, превратившись в какую-то другую ткань. А стволовые клетки, надо сказать, вечно норовят это сделать. Ещё один ключевой винтик — ретиноевая кислота, форма витамина А. Именно она запускает у этих клеток созревание, работая как своего рода спусковой крючок.
И что всё это даёт на практике? Прежде всего — крепкую опору для изучения того, как развиваются половые клетки у приматов. Появляется модель, на которой можно разбирать генетические и биологические причины мужского бесплодия. А ещё на ней получится заранее проверять будущие методы лечения — безопасны ли они и работают ли вообще — ещё до того, как дело дойдёт до испытаний на людях. До настоящей терапии отсюда пока далеко, но фундамент, от которого можно оттолкнуться, у исследователей теперь есть.
