Исследователи получили самые подробные изображения человеческих эмбрионов, развивающихся в реальном времени, используя два обычных лабораторных инструмента — флуоресцентные красители и лазерные микроскопы.
Этот метод позволяет исследователям изучать важнейшие события первых нескольких дней развития эмбрионов без внесения в них генетических изменений, что ранее ограничивало использование некоторых методов визуализации из-за этических соображений.
«Впервые мы можем получить изображение раннего человеческого эмбриона на самых ранних стадиях развития с клеточным разрешением», — говорит Николас Плахта, клеточный биолог из Пенсильванского университета в Филадельфии. «Мы можем видеть отдельные клетки и то, как они взаимодействуют друг с другом в процессе формирования предимплантационного эмбриона».
Помимо того, что этот метод визуализации является новым инструментом для исследователей, он может привести к разработке способов неинвазивного скрининга эмбрионов, зачатых с помощью экстракорпорального оплодотворения (ЭКО).
Флуоресцентные красители
Исследователям обычно приходится изучать человеческие эмбрионы на посмертных образцах, поскольку многие инструменты для маркировки живых клеток предполагают их генетическую модификацию для получения флуоресцентных белков.
Плахта и его коллеги разработали обходной путь, используя флуоресцентные красители, которые можно просто добавить в образец для маркировки определенных клеточных структур.
Эмбрионы, использованные в данной работе, были переданы для исследования через клинику ЭКО. Они находятся на очень ранней стадии развития — состоят всего из 60-100 клеток каждый — и еще не имеют полностью сформированных тканей или органов, говорит Плахта.
Исследователи использовали SPY650-DNA, флуоресцентный краситель, который маркирует геномную ДНК, и SPY555-актин, который маркирует белок F-актин, образующий скелет клеток. Затем они визуализировали десятки живых эмбрионов в течение первых 40 часов развития с помощью мощных лазерных сканирующих микроскопов.
«Мы могли видеть, как эти клетки делятся, как происходит сегрегация хромосом, и мы даже могли фиксировать в реальном времени дефекты сегрегации хромосом», — говорит Плахта.
Например, исследователи заметили, что клетки во внешнем слое эмбриона, известном как тропектодерма, теряют часть своей ДНК во время стадии репликации клеток, называемой интерфазой — когда клетки реплицируют свою ДНК.
Такие ошибки могут быть связаны с хромосомными аномалиями, такими как анеуплоидия — состояние, которое характеризуется наличием лишних или отсутствующих хромосом в раннем эмбрионе и является причиной потери беременности и неудачной имплантации.
«Зная, когда происходит анеуплоидия, мы получаем возможность вмешаться и попытаться исправить ситуацию», — говорит Зев Уильямс, специалист по бесплодию из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Последние снимки показывают первые дни развития эмбриона «с невиданной ранее четкостью», добавляет он.
Не так, как у мышей
Исследователи также смогли сравнить ключевые события в эмбрионах человека и мыши, которые часто используются в качестве модели для изучения эмбрионального развития. Они заметили некоторые важные различия. Например, процесс, называемый уплотнением, который включает в себя изменения формы клеток, начинается на стадии 12 клеток у человеческих эмбрионов по сравнению с 8 клетками у мышей; этот процесс также более асинхронный у человеческих эмбрионов, что приводит к вариациям в формировании внутренних и внешних клеток.
«Обнаружение этих небольших изменений — вот что делает эту работу такой новаторской», — говорит Сейд Клейтон, клеточный биолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури. «Эти небольшие различия на самом деле могут привести к довольно большим различиям в плане развития матки».
Авторы надеются развить это исследование путем получения изображений человеческих эмбрионов за более длительный период времени, использования лазерных микроскопов меньшей интенсивности и применения других красителей, которые могут маркировать различные структуры, например, клеточные мембран. По словам Плахты, этот метод может даже найти клиническое применение.
«В будущем мы могли бы использовать этот тип живой визуализации для неинвазивного наблюдения за эмбрионами в клинике, — говорит он. Это может стать частью тестов для определения «эмбриона с наилучшим потенциалом» перед имплантацией, добавляет он.