Американские биологи создали химерные эмбрионы человека и свиньи, чтобы вырастить в них человеческие мышцы. Для этого им понадобилась система генетического редактирования CRISPR/Cas9: у свиней удалили гены, отвечающие за развитие мышц, а в человеческих клетках — ген, связанный с апоптозом. Исследователи дорастили химерных зародышей до 27 дней и убедились, что мышечная ткань в них развивается из человеческих клеток, а нервная ткань и половые органы — из клеток свиньи. Работа опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
Проблему нехватки донорских органов биологи уже неоднократно предлагали решать с помощью животных. Вариантов решения здесь может быть несколько. Можно пересадить собственный орган животного — но он иммунная система человека не всегда на такое согласна.
Можно генетически модифицировать животного, чтобы его клетки больше напоминали человеческие. Мы уже писали о рождении гуманизированных свиней и первой пересадке кожи от такой свиньи человеку. Тем не менее, пока неясно, насколько гуманизированные органы безопасны — например, они могут нести в себе встроенные вирусы, потенциально заразные для человека.
Наконец, можно использовать животное как инкубатор, в котором будут расти человеческие органы. Для этого необходимо создать химерный зародыш, в котором большинство клеток будут принадлежать собственно животному (например, свинье), но некоторые будут человеческими и смогут сформировать необходимый орган.
Добиться такого результата можно с помощью метода комплементации бластоцисты (blastocyst complementation): в зародыш свиньи на ранних стадиях развития вводят несколько человеческих клеток. При этом, если взять модифицированную свинью, у которой выключен ген, отвечающий за развитие какого-нибудь органа, то этот орган ей придется выращивать из одних только человеческих клеток.
Так устроен метод комплементации бластоцисты
Maeng et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021
Эту методику уже неоднократно проверяли на мышах, но вот эксперименты с человеческими химерами пока ограничивались созданием химерных зародышей на самых ранних стадиях. Чтобы перейти от них к направленному выращиванию органов, нужно решить три проблемы: 1) найти и отключить гены, отвечающие за развитие органов, у животного-инкубатора 2) научить человеческие клетки приживаться внутри химеры 3) убедиться в том, что человеческие клетки не проникнут в половые органы или мозг животного — потому что в таком случае эксперименты могут не получить одобрение этических комитетов и регуляторов.
Группа исследователей из университета Миннесоты под руководством Дэниэла и Мэри Гэрри (Daniel and Mary Garry) попробовала решить эти проблемы на свиньях. В качестве органа-мишени они выбрали скелетные мышцы — поскольку эту ткань очень сложно получить от донора (после смерти мышцы не пересаживают, а при жизни их непросто удалить). С помощью системы CRISPR/Cas9 исследователи создали модифицированные зародыши свиней, лишенных трех ключевых для развития мышцы генов — MYF5, MYF6 и MYOD. Такие зародыши развивались по меньшей мере до 28-го дня, однако конечности их были сильно деформированы.
Затем авторы работы проверили, можно ли «спасти» модифицированных свиней с помощью комплементации бластоцисты. Для этого в каждый такой зародыш на четвертый день развития добавили по одной клетке обычной свиньи со встроенным геном зеленого флуоресцентного белка. Потом эти химерные зародыши подсадили в матку свиней, и на свет появились химерные животные. Их мышцы были полностью донорскими (флуоресцировали зеленым), но поросята-химеры передвигались и вели себя точно так же, как и обычные животные.
Химера из двух видов свиней (сверху) и обычная свинья (снизу). Внешне животные и их мышцы выглядят одинаково.
После этого исследователи перешли к созданию человеческих химер. Но они подозревали, что одной-единственной клетки человека может не хватить, чтобы сформировать мышцы в организме свиньи. Поэтому они решили удалить из человеческих клеток какой-нибудь ген, который мог бы мешать им прижиться в зародыше свиньи. Для этого они сравнили экспрессию генов в ранних свиных и человеческих зародышах и нашли 257 отличий в работе генов, связанных с делением и апоптозом. Из них исследователи выбрали ген TP53, который кодирует белок р53 — главный «двигатель» апоптоза — и удалили его с помощью CRISPR/Cas9, а также снабдили клетки зеленым флуоресцентным белком.
Наконец, авторы работы ввели модифицированные эмбриональные человеческие клетки в зародыши модифицированных свиней. Такие клетки действительно лучше приживались и делились, чем обычные (p < 0,0001). Химерные зародыши подсадили в матку свиней и дорастили их до 20 или 27 дня развития. Внешне они выглядели совершенно нормальными.
После этого исследователи измерили содержание человеческих клеток внутри зародышей: оно составило от одной на тысячу до одной на сто тысяч клеток свиньи. При этом 99,2 процента клеток мышц (судя по экспрессии маркера MYOD), которые нашлись внутри зародышей, светились зеленым, то есть мышцы внутри химеры оказались полностью человеческими.
Человеческие клетки в качестве будущих мышц в зародыше свиньи: они светятся зеленым и экспрессируют мышечные маркеры
Maeng et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021
Кроме того, исследователей интересовало, встроились ли клетки человека в другие органы свиней. Однако они не обнаружили следов человеческих клеток ни в сердечной мышце, ни в нервной ткани (похожие результаты они получили и для химер из двух видов свиней).
Нервная ткань в зародыше свиньи (красный) не содержит в себе клеток человека (фиолетовый).
Maeng et al. / Nature Biomedical Engineering, 2021
Таким образом, авторам работы удалось получить гуманизированную ткань внутри химерного зародыша. Однако понадобятся дополнительные усилия, чтобы довести этот метод до практического применения. Во-первых, этические ограничения на эксперименты во многих странах не позволяют выращивать эмбрионы с нервной тканью человека дольше 14 дней (подробнее об этом — в нашем тексте «14 дней спустя»). И хотя в данном конкретном эксперименте никаких клеток человека в мозге развивающихся зародышей не нашлось, исследователям еще предстоит это неоднократно подтвердить — а заодно, выяснить, почему так происходит и как это предсказать.
Во-вторых, едва ли кто-нибудь разрешит пересаживать людям клетки без гена ТР53 — одного из главных защитников от опухолевой трансформации. В этом конкретном эксперименте удаление этого гена послужило лишь доказательством того, что генетическая модификация может помочь клеткам выжить внутри химерного зародыша. Однако для применения на практике, вероятно, придется подобрать каких-нибудь других кандидатов на удаление.
Leave a Reply