Шаг к созданию сперматозоидов в лаборатории

Примерно 9% мужчин репродуктивного возраста в США сталкиваются с проблемами фертильности. Одной из многих причин мужского бесплодия является нарушение развития половых клеток — процесса, в ходе которого эмбриональные клетки развиваются в сперматозоиды или яйцеклетки. Поиск методов лечения был сложной задачей, поскольку не существует лабораторных моделей, точно имитирующих развитие сперматозоидов, но недавнее исследование приближает нас к этой цели. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Cell Stem Cell, ученые представили рецепт трансформации клеток крови человека в незрелые клетки-предшественники сперматозоидов приматов в среде, имитирующей мини-яички.

Исследователи начали с индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека и макака-резуса, которые представляют собой клетки-«чистые листы», способные трансформироваться практически в любой тип клеток. Подвергая их воздействию определенных химических сигналов, исследователи превратили их в клетки, подобные первичным половым клеткам (PGCLC), — выращенные в лаборатории версии самых ранних эмбриональных клеток, которые в конечном итоге развиваются в клетки зародышевой линии, в данном случае в сперматозоиды.

Зародышевые клетки не могут созревать самостоятельно и нуждаются в благоприятной среде, или нише. Для этого исследователи объединили человеческие или обезьяньи зародышевые клетки с поддерживающими клетками эмбрионов мышей. Вместе эти клетки самоорганизовались в трехмерную структуру, называемую ксеногенным реконструированным яичком (xrTestis), которая имитирует базовую структуру естественного яичка.

Внутри мини-яичка начали формироваться семенные канальцы. Это свернутые структуры внутри яичек, где образуются сперматозоиды. То, что выросло в этой системе, очень напоминало как внешний вид, так и паттерны генной активности настоящих человеческих половых клеток на ранних стадиях развития сперматозоидов.

Выживание нашего вида зависит от успешного производства сперматозоидов и яйцеклеток, которые несут генетическую информацию от одного поколения к другому. У мужчин развитие сперматозоидов — это длительный и тщательно скоординированный процесс, который начинается еще до рождения и продолжается на протяжении всей жизни, при этом незрелые клетки проходят несколько стадий, прежде чем стать полностью зрелыми сперматозоидами.

Нарушения в развитии половых клеток могут вызывать бесплодие или врожденные дефекты у детей. Важно понимать, как этот процесс работает на молекулярном уровне, используя системы, которые точно имитируют развитие сперматозоидов у человека. Хотя модели на грызунах оказались ценными для изучения репродуктивной биологии, они не в полной мере отражают развитие приматов из-за различий как на структурном, так и на молекулярном уровнях.

Для решения этой задачи исследователи разработали многоступенчатую систему выращивания и созревания сперматозоидов приматов вне их естественной среды обитания. Они начали с индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), полученных из клеток крови человека и соединительной ткани кожи макаки-резуса. Затем эти клетки были преобразованы в самые ранние клетки, формирующие сперматозоиды, которые обнаруживаются в процессе эмбрионального развития.

Затем исследователи добавили поддерживающие клетки из семенников плода мыши, что позволило клеткам самоорганизоваться в трехмерную ксеногенную реконструированную структуру семенника (xrTestis). Для поддержания их выживания и обеспечения кровоснабжения структуры xrTestis были трансплантированы в почки иммунодефицитных мышей, где клетки могли продолжать развиваться в течение восьми-девяти месяцев — гораздо дольше, чем это возможно в стандартной лабораторной чашке.

Используя этот метод, исследователи успешно получили человеческие половые клетки и, впервые, сперматогонии макаков (обезьян) — неразвитые мужские половые клетки, находящиеся в яичках, — из стволовых клеток. Эти клетки макаков очень точно соответствовали клеткам, встречающимся в природе у живых людей и обезьян, демонстрируя сходство до 97%.

В ходе исследования также были выявлены два белка, NANOS3 и DND1, как важные факторы, поддерживающие жизнеспособность половых клеток и предотвращающие их дифференциацию в другие типы клеток, что является распространенным поведением стволовых клеток. Исследователи также показали, что ретиноевая кислота, форма витамина А, действует как триггер, запускающий процесс созревания этих клеток.

Возможность получать незрелые сперматозоиды из стволовых клеток предоставляет исследователям прочную основу для изучения развития половых клеток у приматов. Это создает ценную модель для исследования генетических и онтогенетических причин мужского бесплодия, а также для проверки безопасности и эффективности будущих методов лечения бесплодия до их применения в клинических испытаниях на людях.

Игорь НАУМОВ
По материалам Medical Xpress