Может показаться, что изучение таких эмбрионов — обычная практика, ведь имплантация происходит на второй неделе развития, и ученые в Великобритании могут легально культивировать эмбрионы в течение двух недель, вписывающихся в четырнадцатидневный лимит [2].
Однако практика выращивания человеческих эмбрионов в культуре ограничивалась шестью днями. Был случай, когда эмбрион с помощью клеток матки культивировался девять дней, но здоровье полученного таким способом эмбриона осталось под вопросом [3]. События человеческого развития от стадии бластоцисты на шестой день до стадии гаструляции были скрыты от наших глаз.
До имплантации эмбрион (мышиный или человеческий) представляет собой маленький дрейфующий шарик из клеток — бластоцисту, сопоставимую по размерам с исходной яйцеклеткой. Когда количество клеток в мышиной бластоцисте достигает одной сотни, zona pellucida разрывается и выпускает эмбрион, чтобы тот мог имплантироваться в стенку матки и начать расти.
К моменту «вылупления» внутри эмбриона образуется полость. Теперь бластоциста — это шарик из клеток, наполненный жидкостью. Если заглянуть внутрь этого полого шарика, можно увидеть скопление клеток — эпибласт. Именно из этого скопления вырастает индивидуум. Эти клетки являются предками каждой клетки организма. Окружающие клетки делятся на два типа. С одной стороны расположена примитивная энтодерма, из которой в свое время сформируется желточный мешок. С другой стороны эпибласта находится трофэктодерма, которая предоставит эмбриону систему жизнеобеспечения и построит ему дом внутри матери. Клетки трофэктодермы непосредственно принимают участие в критическом этапе развития, когда бластоциста внедряется в стенку матки.
Разноцветное изображение бластоцисты предваряет большинство моих современных лекций. Перед ней я рисую один большой вопросительный знак, а после нее рисую второй, еще больше. Это и есть два главных вопроса, направляющих работу моей лаборатории. Во-первых, каким образом появляются эти три типа клеток? Во-вторых, каким образом эти три типа клеток взаимодействуют друг с другом, чтобы создать нечто столь сложное, как мы с вами?
До стадии бластоцисты эмбрион легко развивается в культуре, чего не скажешь об эмбрионе в момент имплантации. Когда мы проводили трудоемкие эксперименты (помечали индивидуальные клетки бластоцисты, переносили их в приемную самку, а затем извлекали эмбрион после имплантации, чтобы отследить клеточных потомков), все, что мы получали в итоге, было серией фотоснимков. Являлось ли это воспроизведением процесса развития или, подобно трейлерам, вводящим зрителя в заблуждение, не отображало множество ключевых событий? Можно ли найти способ изучения эмбриона вне укрывающей его матки, чтобы проследить, заснять и задокументировать каждый шаг его развития?
Незнание того, как развивается эмбрион во время имплантации и вскоре после нее, тормозило нас по многим направлениям. Раскрытие тайн этого периода развития принесло бы много практической пользы. Оно повысило бы успешность ЭКО и расширило наши знания о том, как стволовые клетки распадаются на разные клеточные линии. Это могло бы улучшить их применение в регенеративной медицине (обсуждаемой в главе 10), где разрабатываются способы выращивания замещающих клеток, тканей и даже органов.
Кроме того, это тот самый период развития, когда многие беременности подходят к концу, при этом женщины о них даже не подозревают [4]. Природа расточительна или, возможно, предусмотрительна, поскольку эмбрион чаще всего отторгается в случае своей неисправности. Около 30% ранних беременностей заканчиваются неудачей раньше, чем эмбрион имплантируется в теле матери, а другие 30% — примерно в момент имплантации. И именно в это время возникает большинство дефектов. Некоторые из них детальны, другие могут привести к таким аномалиям, как сиамские близнецы.
Должна признать, мною двигал и старейший из всех научных мотивов: я хотела достичь фундаментального понимания ключевой главы истории человеческой жизни, поскольку именно тогда эмбрион приступает к росту и начинает определять план всего организма.
Мое любопытство также подогревалось желанием понять, почему некоторые несовершенные эмбрионы могут развиваться в нормального ребенка. Я не знала причину аномальных результатов моего анализа, но я хотела понять лежащую в их основе науку. Для этого требовалось исследовать эмбрион дольше, чем было возможно в то время, причем не только мышиный, но и человеческий, потому что после имплантации их развитие не одинаково.
Всего за два дня человеческий эмбрион превращается из относительно примитивного шарика клеток в более сложную дискообразную структуру, которая к десятому дню становится примерно в пять раз больше. На этом этапе архитектура эмбрионов мыши и человека удивительно сильно различается, причем мышиный формирует чашеобразную, а не дисковидную структуру, которая позже (примерно на пятый день) становится цилиндром из трех типов стволовых клеток. Из них первый тип, эпибласт, формирует эмбрион путем гаструляции, при которой клетки (прежде чем решить, превратиться им в мозг, кишечник, кости и др.) мигрируют и реорганизуются в формацию, являющуюся предшественником плана тела. Мышиный эмбрион приступает к гаструляции между шестым и седьмым днями. Человеческий — на четырнадцатый день.
Когда я впервые завела разговор о возможности культивирования эмбрионов после стадии бластоцисты, мои наставники и коллеги были обескуражены. Они сказали, что это слишком сложно и любые отчеты о том, что этот подвиг реален, будет трудно воспроизвести. Я откопала несколько старых статей с описанием культивирования эмбрионов путем имплантации, но в них было мало информации о том, как эмбрион трансформируется из пре- в постимплантационную структуру. Это и в самом деле могло оказаться пустой тратой времени, ведь для того, чтобы начать расти и правильным образом перестраивать свою структуру, эмбриону могло понадобиться взаимодействие с эндометрием.
Долгие годы я сдерживала свое любопытство, фокусируясь главным образом на том, как и когда клетки начинают дифференцироваться перед имплантацией. Ситуация изменилась в 2009 году, когда я, вдохновленная биоинженерным прогрессом, все-таки решилась попробовать. В итоге, когда мы действительно заглянули в черный ящик, мы увидели, что хрестоматийные описания наиболее аргументированных предположений о том, что происходит на этом этапе развития, были ошибочными.
Охота на эмбрион
Первые сведения об онтогенетическом развитии в период имплантации поступили из исследований человеческих эмбрионов, опубликованных больше полувека назад. В мае 1956 года вышла статья, которая давала представление о содержимом черного ящика [5]. В ней описывались исследования человеческих эмбрионов со второго по семнадцатый день развития — всего тридцать четыре эмбриона, которые были найдены в образцах тканей, полученных десятилетиями ранее. Образцы были взяты у женщин, подвергнутых гистерэктомии[16] в 1933-1934 годах. Операции были проведены автором исследования, Элеонорой Адамс из Института Карнеги в Балтиморе, штат Вашингтон, под руководством Джорджа Стритера, в те годы — директора отдела эмбриологии этого института [6].
Изучив коллекцию из десяти тысяч человеческих эмбрионов, собираемых с 1880-х, Институт Карнеги разработал стандартизированную систему из двадцати трех стадий, представляющих единую хронологию эмбрионального развития позвоночных. Не было только материала, отображающего первые две недели, и эту недостающую главу истории человеческой жизни нужно было чем-то заполнить. Шанс появился тогда, когда Артур Хертиг сделался патологом в роддоме и бесплатной женской больнице Бостона, где работал и третий автор статьи, хирург Джон Рок.
После череды благодарностей, подходящих для церемонии награждения («несравненные препараты», «великолепные фотографии», «изобретательские способности» и т. д.), авторы статьи описали критерии отбора подходящих женщин: пациентки должны были иметь симптомы, делающие их нетрудоспособными, избавить от которых могла лишь гистерэктомия, а также должны были иметь менструальные циклы, то есть могли производить яйцеклетки.
