TL;DR
Миссия компании Conception заключается в том, чтобы превратить стволовые клетки в человеческие яйцеклетки и переосмыслить понятие фертильности.
Мы хотим поделиться захватывающей новостью: нам удалось получить первые ранние человеческие яйцеклетки («первичные ооциты»), полученные из стволовых клеток. После простого забора крови мы преобразовали клетки крови в стволовые клетки, а затем стимулировали эти стволовые клетки к формированию миниатюрных человеческих яичников, содержащих ранние яйцеклетки.
Хотя предстоит ещё проделать работу по доведению этих яйцеклеток до полной зрелости, мы считаем это значительным научным прорывом.
Почему это важно
Создать жизнеспособные яйцеклетки из стволовых клеток уже получилось – для мышей. В 2016 году наш коллега Кацухико Хаяси продемонстрировал, что клетки кожи мыши можно превратить в «индуцированные плюрипотентные стволовые клетки» (iPS-клетки — модифицированные клетки, способные превращаться в любой тип клеток организма), а затем — в пригодные для использования яйцеклетки. Эти яйцеклетки дали жизнь здоровым детёнышам, которые прожили нормальную продолжительность жизни и размножались естественным путём, производя на свет своих собственных здоровых детёнышей.
Этот процесс, известный как «гаметогенез in vitro» (IVG), оказалось гораздо проще реализовать на мышах, чем на более крупных животных. Тем не менее, учитывая, насколько значительным может быть влияние этой технологии, её определённо стоит развивать для применения на человеке.
Технология IVG способна кардинально изменить подход к репродукции во всём мире. Простое взятие крови позволит получить столько здоровых яйцеклеток, сколько необходимо семье.
Эта возможность может освободить людей от биологических и генетических ограничений. Она может значительно расширить возможности семей по рождению здоровых детей и дать женщинам шанс рожать в гораздо более позднем возрасте — и всё это без гормональных инъекций и хирургического извлечения яйцеклеток, которые в настоящее время требуются при ЭКО.
Эта технология является одной из самых сложных терапевтических методик, когда-либо разработанных. Мы создаём не просто один тип клеток; мы выращиваем в лаборатории целые мини-яичники из стволовых клеток, поскольку для правильного развития яйцеклеток важен весь орган в целом. Мы рады, что добились огромного прогресса на пути к этой цели, и хотим поделиться с вами кратким обзором нашего процесса.
Наш подход: создание мини-яичников в лаборатории
Основная идея компании Conception проста: способов «срезать углы» не существует. Одной клетки, экспрессирующей несколько маркеров яйцеклетки, недостаточно. Нам необходимо как можно точнее воссоздать последовательность, которую использует природа, и на каждом основном этапе сравнивать наши клетки с процессом развития человека.
Наш подход следует основным этапам развития яйцеклеток, представленным выше на рисунке 3. После взятия образца крови мы преобразуем часть кровяных клеток в iPS-клетки, а затем стимулируем их дифференцировку в каждый из типов клеток, присутствующих в развивающемся яичнике: «примордиальные зародышевые клетки» — это клетки, которые в конечном итоге превратятся в яйцеклетки, а «вспомогательные клетки яичника» — это «второстепенные участники», обеспечивающие яйцеклетки необходимыми сигналами. Вместе эти клетки образуют «мини-яичники» — небольшие трёхмерные «шарики из клеток», имитирующие настоящий человеческий яичник.
Внизу слева вы можете увидеть, как выглядят наши мини-яичники невооружённым глазом. На среднем изображении показаны тонкие срезы тех же мини-яичников на предметном стекле микроскопа; каждый белый кружок представляет собой один срез мини-яичника. Затем эти предметные стекла используются для анализа изображений, представленного справа, где мы окрашиваем мини-яичники специфическими для клеток и стадий развития красителями, чтобы понять, как они развиваются.
В рамках наших исследований мы создаём тысячи мини-яичников, содержащих миллионы будущих яйцеклеток, чтобы параллельно изучать, совершенствовать и сравнивать их развитие.
Внутри мини-яичников первичные половые клетки окружены вспомогательными клетками яичника, необходимыми им для перехода к следующим трём стадиям развития яйцеклеток:
Первичные половые клетки развиваются в «оогонии»
Оогонии вступают в мейоз — особый процесс деления клеток, необходимый для образования яйцеклеток
Превращаясь в ранние яйцеклетки, они образуют фолликулы — основные единицы яичника, в которых находится каждая яйцеклетка.
На этом этапе мы тщательно сверяем идентичность клеток с обширным, созданным собственными силами эталонным атласом молекулярных данных о яичниках человека. Этот атлас включает миллионы точек данных, охватывающих множество секвенированных характеристик, отражающих различные уровни клеточной биологии. Сравнение с этим атласом (в том числе с использованием собственных моделей глубокого обучения) позволяет нам с уверенностью планировать дальнейшие шаги с биологической точки зрения, одновременно подтверждая точность нашего протокола и, следовательно, качество наших клеток.
Одним из важнейших для нас показателей успеха является функциональность — способны ли эти клетки точно выполнять те же функции, что и клетки в настоящем яичнике? Ниже мы расскажем, как мы оцениваем это на каждом этапе.
1) Наши мини-яичники способствуют развитию будущих яйцеклеток
Одним из ранних признаков успеха наших мини-яичников является то, что их организация очень точно имитирует структуру развивающегося человеческого яичника. Оогонии образуют небольшие «гнёзда» — особые яичниковые структуры, окружённые тонким пограничным слоем (ниже обозначен синим цветом), в которых будущие яйцеклетки остаются соединёнными в группы и цепочки (обозначены пурпурным цветом). В яичнике эти структуры помогают отделять и организовывать развивающиеся яйцеклетки, поэтому наблюдение их формирования в наших мини-яичниках является признаком того, что ткань развивается так же, как и в организме человека.
Все клетки, показанные слева, были получены из стволовых клеток. Они самостоятельно начинают формировать эти структуры яичника без участия каких-либо естественных клеток человека в культуре и без искусственного придания клеткам таких форм. Нам кажется удивительным наблюдать это.
2) Наши будущие яйцеклетки проходят процесс мейоза
Большинство клеток нашего организма содержат два набора хромосом — по одному, унаследованному от каждого родителя, — тогда как яйцеклетки содержат только один. Мейоз — одно из определяющих событий в развитии яйцеклетки, и именно благодаря ему яйцеклетка в итоге получает один набор хромосом. Этот процесс должен протекать с исключительной точностью, поскольку хромосомные ошибки могут привести к неудачным беременностям или генетическим аномалиям.
Мейоз — один из самых сложных процессов, который необходимо правильно организовать. Хромосомы должны соединяться со своими соответствующими партнёрами, обмениваться ДНК и (в организме) оставаться организованными на протяжении десятилетий. Именно поэтому следующий результат был для нас столь важен: в наших клетках, полученных из iPSC, мы наблюдаем, как мейоз организуется должным образом.
В половых клетках, полученных из стволовых клеток, наблюдается формирование механизма спаривания хромосом при мейозе. Это является важнейшим доказательством для любого надёжного пути к созданию человеческих эмбрионов in vitro из стволовых клеток (IVG).
Можно представить себе этот процесс как застёжку-молнию, формирующуюся вдоль каждой пары хромосом. В наших клетках ключевые структурные белки мейотического аппарата присоединяются к хромосомам длинными непрерывными полосками, что соответствует прохождению клетками ранних стадий мейоза.
Мы наблюдаем не только активацию генетических маркеров, но и появление клеточных механизмов в нужном месте и в нужном порядке — и всё это в системе, полностью происходящей из стволовых клеток.
Мы также наблюдаем более общие молекулярные признаки, характерные для перехода наших клеток в ранние стадии яйцеклеток. Мы видим активацию ключевых генов первичных ооцитов, включая гены, участвующие в росте яйцеклетки, формировании зоны пеллюцида (защитной «яичной скорлупы» вокруг ооцита), а также программы, способствующие защите развивающихся яйцеклеток.
В совокупности всё это показывает, что наши клетки, полученные из стволовых клеток, проходят мейоз и активируют гены ранних яйцеклеток, как и должно происходить на данном этапе.
3) Мы можем создавать фолликулы, полностью полученные из iPSC
После вступления в мейоз будущие яйцеклетки в яичнике человека вступают в длительный период покоя. На этой стадии клетка участвует в формировании примордиального фолликула: одна яйцеклетка, окружённая однослойным слоем плотно связанных между собой вспомогательных клеток. Это базовая и наиболее важная единица яичника.
Ниже слева, рядом с фолликулами из настоящего яичника человека (справа), вы можете увидеть то, что, по нашему мнению, является первыми в истории человеческими фолликулами, полностью созданными из iPS-клеток. Развивающиеся яйцеклетки обозначены пурпурным, окружающие их вспомогательные клетки — жёлтым цветом, а синим цветом показана тонкая граница, окружающая каждый фолликул. По мере того как ранние яйцеклетки проходят мейоз, жёлтые вспомогательные клетки прикрепляются к ним и начинают их питать. Они организуются в единый уплощённый слой вокруг каждой ранней яйцеклетки и образуют тонкую границу, воссоздавая характерную структуру раннего развития яичника человека.
Создание фолликулов, полностью полученных из стволовых клеток, с ранними яйцеклетками, проходящими мейоз, является важным шагом на пути к получению жизнеспособных зрелых яйцеклеток. Насколько нам известно, это мировой прорыв.
Что ждёт яйцеклетки, полученные из стволовых клеток, в будущем
Хотя мы прошли долгий путь, предстоит ещё много работы. Самым важным оставшимся шагом для нас является выращивание наших фолликулов, полученных из iPSC, от ранней стадии (примордиальной) до последней «антральной» стадии. На антральной стадии ооциты увеличиваются в размерах и достигают того состояния, когда врач-репродуктолог может извлечь их хирургическим путём в ходе процедуры ЭКО. Мы полагаем, что это вполне выполнимо, поскольку ранее нам уже удавалось добиться этого с использованием донорской ткани человека (см. ниже).
Далее мы сосредоточимся на подтверждении безопасности нашей технологии и качества получаемых яйцеклеток. Требования к безопасности при использовании этой технологии чрезвычайно высоки, и мы очень серьёзно относимся к этой ответственности. Прежде чем эту работу можно будет рассматривать для клинического применения, нам необходимо тщательно охарактеризовать каждый этап процесса — как в отношении уже достигнутых результатов, так и в отношении полностью созревших яйцеклеток в будущем. Это включает в себя более углублённую разработку моделей на животных, а также подтверждение безопасности.
